间歇式循环电脉冲处理对TC4钛合金板热效应与非热效应耦合机制及性能调控的系统性研究——聚焦温度-电流密度线性关系、再结晶行为诱导、微裂纹修复冷成形性提升路径

引言

TC4钛合金因比强度高、耐腐蚀、生物相容性好等优异性能而被广泛用于航空航天、航海、医疗和生物领域［1-7］，已经成为国内外应用极广泛的中等强度的钛合金之一。尽管热处理（HT）是改善TC4钛合金微观组织和性能的常用方法之一，但其在性能提升方面存在局限性，耗时、能耗高且需专用设备，这些因素制约了生产过程朝更环保和可持续性的方向发展。因此，探索一种高效、环保且快速的材料性能改善方法对促进钛合金的应用与开发至关重要。

1963年，Ｔｒｏｉｔｓｋｉｉ等［8］发现单晶锌在单向拉伸过程中施加电子束辐照时流动应力显著下降，塑性得到增强，这种现象被称为电致塑性效应。随后，学者们对钢、铜合金［9］、镁合金、铝合金［10］、钛合金［11］等金属及合金开展电脉冲处理研究。电脉冲处理（Ｅｌｅｃｔｒｏｐｕｌｓｉｎｇｔｒｅａｔｍｅｎｔ，EPT）的主要作用机理是通过对材料施加脉冲电流，利用脉冲电流产生的热效应和非热效应及其耦合作用改善材料的微观组织和力学性能。叶肖鑫［12］利用自研的电脉冲设备，在对TC4钛合金进行冷加工的同时进行EPT，实现了在不损失强度的同时将断裂伸长率提高134.1％。宋进林等［13-14］研究发现TC11钛合金经EPT后塑性提高了11.3％，疲劳性能有所提升，且EPT能引发局部再结晶。Ｐａｎ等［15］通过对比EPT与HT技术处理的6061合金，发现在较短的时间（1000ｍｓ内）内，6061合金的强度增加50％以上，延伸率提升2.1％。徐晓峰团队［16］通过实验与有限元仿真研究Al-Mg-Si合金，发现EPT能加速位错运动，形成大量亚晶粒，得到具有卓越延展性的Al-Mg-Si合金。虽然研究证明EPT能有效改善材料的组织及力学性能［17-21］，其中，连续性脉冲电流对金属的处理已受到广泛研究，但间歇式循环脉冲电流对材料的影响仍较为有限，因此，有必要进一步探索间歇式循环脉冲电流对材料的影响。

本工作以TC4钛合金板材为实验对象，利用自主研发的电脉冲处理设备，对其进行了间歇式循环脉冲电流处理。通过改变EPT的电压幅度和循环次数，深入探讨了EPT对TC4钛合金板材微观组织结构和力学性能的影响。

1、实验

实验使用2ｍｍ厚的轧制TC4钛合金板材（Ti-6Al-4V），其化学成分如表1所示。TC4钛合金板材通过线切割沿轧制方向加工成狗骨状拉伸试样，用砂纸去除表面氧化层。电冲处理时将试样夹持在自主研发的电脉冲处理设备的铜电极间，使试样表面与铜极紧密接触，施加设定的电压和循环次数，电脉冲处理完成后，对试样进行力学性能测试与显微组织表征。

表 1 Ti-6Al-4V 钛合金化学成分（质量分数，%）

EPT实验的电脉冲波形如图1ａ所示，设备原理如图1ｂ所示。该设备的核心是由三组电容器组成，通过控制系统输入设定电压值进行放电，输出电流受放电电压控制，电容组自动同时充电，达到预设电压后依次放电。每组电容器释放电间隔为3ｍｓ，三组电容器依次放电一次为1个循环，每个循环间充电间隔约2ｓ，充电电压范围为0～1500Ｖ。拉伸试样的设计遵循ＧＢ／Ｔ228.1-2010《金属材料拉伸试验》标准，尺寸如图1ｃ所示。EPT实验在室温环境下进行，同时使用Ｅ3ＭＨ-Ｆ2-Ｌ-0-0型红外热像仪（测温范围：150～1800℃）实时监测脉冲处理过程中试样中心区域的温度变化，获得EPT过程中试样的温度与时间变化曲线。

拉伸试样的平行段长度为30ｍｍ，宽度为10ｍｍ，共分为6组，每组包含3个平行试样。Ｅ-0试样未经过EPT，作为原始对照组。其他组试样根据表2所示的参数进行EPT。EPT后对试样表面进行抛光与测量。采用ＭＴＳ公司生产的Ｌａｎｄｍａｒｋ370.10型液压伺服材料试验机对试样进行室温拉伸测试，应变速率为0.00025ｓ－1。为验证结果的一致性，每组参数均通过3个平行试样进行重复测试。

表 2 电脉冲处理参数

在EPT后试样区域中心位置进行取样，使用Ｑ-2Ｂ金相试样镶嵌机镶样，依次使用180＃、240＃、600＃、1200＃、2000＃、4000＃砂纸对金相试样进行机械研磨，然后使用ＯＰＳ抛光液进行抛光处理，最后用无水乙醇超声清洗10ｍｉｎ。选取Ｋｅｌｌｅｒ试剂（Ｖ（ＨＦ）∶Ｖ（ＨＮＯ₃）∶Ｖ（ＨＣｌ）∶Ｖ（Ｈ₂Ｏ）＝1∶2.5∶1.5∶95）进行腐蚀处理，采用ＬＥＩＣＡ-ＤＭ4-Ｍ光学显微镜和Ｑｕａｔｔｒｏ-Ｓ扫描电子显微镜观察试样的显微组织与拉伸断口。

2、结果与分析

2.1　EPT试样温度变化规律

EPT过程中的焦耳热效应通过监测试样温度变化来评估。如图2ａ所示，不同电压、循环次数下试样的温度响应存在差异。试样测试段的温度受电压、散热条件、截面尺寸等的影响［19，22-23］。EPT过程中的温度变化分为三个阶段：第一阶段，快速升温阶段，试样中心区域表面在约50ｓ达到最高温度（Ｅ-1试样除外）。试样及铜电极在低温时散热率低，试样在电脉冲循环间散热后，温度迅速上升，接近最高温度后，进入第二个阶段，即温度平衡阶段，试样测试段的温度进入随脉冲电流同步波动的等幅循环；第三阶段，EPT结束后降温阶段，试样以6～8.5℃／ｓ的平均冷却速率快速降温至室温。

EPT过程中试样中心区域表面的最高温度与试样的最大电流密度如图2ｂ所示，最大电流密度越高，温度变化范围越大。试样与铜电极接触面积和压力变化导致接触电阻、试样电阻及散热条件的变化，在高电流密度下引起温度波动。EPT过程中试样中心区域表面的最高温度与最大电流密度呈近似线性关系，如图2ｃ所示。选取循环次数为25的试样数据进行拟合，得到最高温度与最大电流密度的关系满足式（1）。Ａｏ与Ｊｉａｎｇ等［19，24］证明了当电流密度增加时EPT的热效应降低。EPT停止后，试样以与测试段最高温度成正比的冷却速率降温，如图2ｄ所示。

T_h=3.53J_max ＋ 88.8７ （1）

式中：T_h为EPT过程中试样区域中心表面的最高温度，J_max为EPT过程中试样的最大电流密度。

2.2　EPT对力学性能的影响

图3ａ为TC4钛合金在不同参数EPT后的应力-应变曲线，图3ｂ为TC4钛合金在EPT后的抗拉强度、屈服强度、延伸率变化。表3汇总了每个参数EPT后试样的数据结果，均为三个试样的平均值。原始试样的极限抗拉强度（Ｕｌｔｉｍａｔｅｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈ，ＵＴＳ）为1058ＭＰａ，屈服强度（Ｙｉｅｌｄｓｔｒｅｎｇｔｈ，ＹＳ）为983ＭＰａ，延伸率（Ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ，ＥＬ）为10.9％。EPT后，抗拉强度基本保持不变，最大降幅仅为4.35％。屈服强度随电压提高而显著降低，在600Ｖ电压、25次循环的EPT后，降幅最大，达到18.11％，导致TC4钛合金的屈服比从0.93降低至0.78，从而提高了板材冷成形性［20］。延伸率随电压的提高先有所增加，在400Ｖ电压、50次循环的EPT后，达到最大值13.4％，比原始试样提高了22.9％，然而，再次提高电压后延伸率逐渐降低。因此，EPT在保持抗拉强度基本不变的情况下，提高了TC4钛合金的延展性，降低了屈服强度。

表 3 不同 EPT 试样力学性能

2.3　EPT对微观组织的影响

EPT前后的光学显微组织如图4所示。TC4钛合金由六方密排的α相和体心立方β相组成［11，25］，如图4ａ所示，原始TC4钛合金组织的β相存在聚集现象，这是TC4钛合金板材在轧制过程中晶格畸变和位错运动所致，这种聚集阻碍了位错运动，造成应力集中，进而引起微裂纹的萌生，导致试样塑性较差［19］。Ｅ-1试样的显微组织如图4ｂ所示，可以看出，在低电压EPT后，聚集的β相轻微溶解，分布更均匀，这有利于减少位错缠结和局部应力集中，从而降低屈服强度，提高塑性变形能力［19］。如图4ｃ所示，Ｅ-2试样的β相减少且尺寸减小，α相发生再结晶，塑性略有提升。随循环次数增加，Ｅ-3试样的α相趋于等轴状，如图4ｄ所示，EPT的累积热效应促进了再结晶和再结晶晶粒长大，等轴状α晶粒的形成封闭了条状组织的两端，降低了条状组织的长宽比，弱化了轧制方向变形组织结构的取向性，有利于降低不同相之间的变形不协调性，减少应力集中，从而使试样的塑性得到增强［26］，因此Ｅ-3试样伸长率提升最明显，达13.4％。此外，EPT在材料内部产生不均匀的温度和应力分布，促进了局部区域的再结晶和部分晶粒粗大，这些变化会降低屈服强度，但对整体材料强度的影响不大，抗拉强度保持稳定。如图4ｅ所示，Ｅ-4试样中α相晶粒相互“吞噬”长大，转变为更粗大的α相，晶界模糊，使得β相含量降低。如图4ｆ所示，Ｅ-5试样组织转变为等轴组织，等轴组织内部分布着针状马氏体，然而在光学显微镜下无法辨别其内部组织变化，需要借助扫描电镜进行组织分析。

Ａｏ等［19］研究发现，HT难以在短时间内改变TC4钛合金的微观组织，与HT相比，EPT不仅具有热效应，还有非热效应的贡献。TC4钛合金的再结晶通常在750℃附近进行［27-28］，然而在EPT条件下试样区域中心表面的最高温度在683.9℃左右就能观察到再结晶现象。EPT能促进位错进入亚晶界，提供额外的原子扩散通量，促进亚晶界的迁移与合并，进而诱导再结晶［29］，因此，EPT可以有效降低TC4钛合金的再结晶温度。

通过ＳＥＭ进一步观察TC4钛合金的显微组织，如图5ａ所示，α相呈黑色，β相呈白色，细小的二次α相弥散分布在α相中，亚稳态β相呈颗粒状或点状嵌在α基体中，部分β相颗粒中存在孔隙缺陷，α／β相界面呈现锯齿状，易导致裂纹形成与扩展，这些因素影响了TC4钛合金的力学性能。Ｅ-1试样的显微组织如图5ｂ所示，微观组织变化不明显，但点状的β相几乎消失，亚稳态β相呈“河流状”分布在α基体中。Ｅ-2试样的显微组织如图5ｃ所示，β相孔隙得到愈合，表明EPT能够促进原子扩散，实现孔隙快速愈合［21，30］。α／β相晶界明显钝化，EPT有效溶解了晶粒的尖端区域［31］，因此Ｅ-2试样塑性有所提高。Ｅ-3试样的微观组织如图5ｄ所示，由图可知，针状α相基本消失，α相曲率半径增大，呈现球状化，这降低了材料内部不同相之间的变形不协调性，应力集中得到有效缓解，减少了微孔和微裂纹的形成，提升了其延展性［26］。由于球化α相的析出强化作用，材料的屈服强度有所降低，而抗拉强度保持稳定或略有降低。Ｅ-5试样显微组织如图5ｆ所示，在EPT过程中，焦耳热效应引起温升，未达到（α＋β）／β转变温度，试样发生完全再结晶及相变，高温下α相转变为高温β相，冷却过程中转变为β转变组织，β晶粒内部析出针状α相，这些具有相同取向的针状α相小团体均称为“α相集束”［32］，α相集束成为裂纹的起源点，导致试样的延伸率降低。针状α相集束的形成导致晶界弯曲，但晶界的变化和α相集束的形成相互平衡，均匀分布的针状α相集束作为位错运动的障碍，抵消了对材料抗拉强度的潜在影响。因此，EPT作为一种后处理方法，不仅可以改善TC4钛合金的微观组织及力学性能，还可以修复微裂纹。

变过程中总的吉布斯自由能（Ｇｉｂｂｓｆｒｅｅｅｎｅｒｇｙ）的变化决定的，Ｇｉｂｂｓ自由能是描述相变过程中系统能量变化的一个重要参数。在EPT中，材料会产生额外的自由能变化［33-34］，这种现象可能与电场对材料内部粒子的相互作用和排列方式有关。α-Ｔｉ向β-Ｔｉ的相变可以用系统的Ｇｉｂｂｓ自由能变化表示，如式（2）［12，35］所示。

ΔＧ_EPT＝ΔＧ₀＋ΔＧ_ｅ（2）

其中，

ΔＧ_ｅ＝μ₀ｇ（ａ，ｂ）ζ（σ_α，σ_β）j²ΔＶ（3）

结合式（2）和式（3）可以得出，EPT中α-Ｔｉ向β-Ｔｉ转变的Ｇｉｂｂｓ自由能可表示为

ΔＧ_EPT＝ΔＧ₀＋μ₀ｇ（ａ，ｂ）ζ（σ_α，σ_β）ｊ2ΔＶ（4）

式中：ΔＧ_EPT为EPT作用下整个体系总的Ｇｉｂｂｓ自由能变化，ΔＧ₀、ΔＧ_ｅ分别为无EPT体系的Ｇｉｂｂｓ自由能和EPT诱导Ｇｉｂｂｓ自由能变化，μ₀为真空中的磁化率，ｇ（ａ，ｂ）为粗晶材料的相对几何因子，ξ（σ_α，σ_β）为原子核与基体的电特性因子，σ_α和σ_β分别是α-Ｔｉ和β-Ｔｉ的电导率。基于式（5）［19］，相变过程中α-Ｔｉ向β-Ｔｉ转变时，在转变温度下，β-Ｔｉ的Ｇｉｂｂｓ自由能必须低于α-Ｔｉ的Ｇｉｂｂｓ自由能，即σ_α＞σ_β［12，36］，结合式（5）得到ξ（σ_α，σ_β）＜0，ΔＧ_ｅ＜0，最终得出Ｇ_EPT＜ΔＧ₀。

ζ（σ_α，σ_β）＝（σ_β－σ_α）／（σ_α＋σ_β）（5）

根据Ｖａｎ’ｔＨｏｆｆ定律（式（6））［19］，最终得出α-Ｔｉ向β-Ｔｉ相变时的温度Ｔ＝（Δ_Ｇ－ΔＧ_ｍ）／（ＲＴｌｎＱ）。

ΔＧ＝ΔＧ_ｍ＋ＲＴｌｎＱ（6）

式中：ΔＧ为Ｇｉｂｂｓ自由能变化，ΔＧｍ为标准Ｇｉｂｂｓ自由能变化，Ｒ为理想气体常数，Ｔ为绝对温度，Ｑ为反应熵。在钛合金中，α相向β相的转变涉及Ｇｉｂｂｓ自由能的变化。由于ΔＧEPT＜ΔＧ0，得出ＴEPT＜ＴHT，与HT相比，EPT在激活热效应的同时提供一个额外的能量克服α-Ｔｉ向β-Ｔｉ转变的热力学势垒，降低了相变所需的温度［12，19，35，37］。因此，与HT相比，EPT能够在更低的温度和更短的时间内诱发TC4钛合金的相变。EPT技术具备显著的加热速度优势，并且处理时间更短，在材料科学领域中成为一种高效且节能的后处理选择。

2.4　EPT前后拉伸断口

图6为TC4钛合金经不同EPT后的拉伸断口的ＳＥＭ图。如图6ａ所示，Ｅ-0试样的拉伸断口出现了韧窝、撕裂棱和“小平面”的形貌，为准解理断口。韧窝的出现表明合金的断裂形式为韧性断裂。韧窝的存在是合金发生韧性断裂的基础因素之一，其尺寸及深浅能够体现出合金的延展性及受力状态，即韧窝尺寸越大、深度越深，合金的塑性越好［38］。Ｅ-0试样的韧窝多而浅，试样内存在大量韧窝形核点，在断裂过程中受到局部应力集中的影响，容易形成微裂纹［13］，此时的试样塑性较差。如图6ｂ、ｃ所示，Ｅ-1、Ｅ-2试样韧窝分布相对均匀且数量减少，微裂纹形核率降低，塑性有所提升。如图6ｄ所示，Ｅ-3试样韧窝大而深，表明在400Ｖ电压、50次循环的EPT后，试样韧窝形核位置较少，每个韧窝在经历较大的塑性变形后才发生断裂，塑性得到明显的提升。如图6ｅ、ｆ所示，Ｅ-4、Ｅ-5试样的韧窝分布不均匀，小而浅的韧窝增加延伸率下降。因此，Ｅ-3试样展现出最佳的塑性。

3、结论

（1）TC4钛合金在EPT过程中，其区域中心表面的温度变化包括三个阶段：首先，随着电脉冲的施加，试样测试段的温度急剧上升至最高点；其次，温度进入随脉冲电流同步波动的等幅循环；最后，EPT结束后，温度迅速降低至室温。EPT过程中试样区域中心表面的最高温度与试样的最大电流密度之间呈近似线性关系。

（2）TC4钛合金经EPT后，随电压的增加，延伸率先提高后降低。当施加400Ｖ电压、50次循环的EPT时，延伸率最高，比原始试样高22.9％。同时，屈服强度有所降低，而抗拉强度基本保持不变。

（3）与HT相比，EPT不仅包括热效应，还结合了非热效应，能在短时间内改善TC4钛合金的微观组织，修复微裂纹。此外，EPT还能提供额外的原子扩散通量，降低热力学势垒，从而降低相变所需的温度。这不仅显著促进再结晶和相变过程，还改善了材料的微观组织结构，提高了材料的加工性和使用性能。

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36ＡｔｋｉｎｓＰ.Ａｔｋｉｎｓ’ｐｈｙｓｉｃａｌｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，ＯｘｆｏｒｄＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＰｒｅｓｓ，ＵＫ，2006．

37ＹａｎｇＸＨ.ＥｆｆｅｃｔｏｆｅｌｅｃｔｒｏｐｕｌｓｉｎｇａｎｄａｇｉｎｇｏｎｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆTC4Ｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙ，Ｍａｓｔｅｒ’ｓＴｈｅｓｉｓ，ＪｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｉｎａ，2018（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）．

杨雪慧.脉冲电流处理及时效处理对TC4钛合金组织及性能的影响.硕士学位论文，吉林大学，2018．

38ＣｈｅｎＪＨ，ＸｕＷＦ，ＺｈａｎｇＦＪ，ｅｔａｌ.ＲａｒｅＭｅｔａｌＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，2021，50（6），1883．

王帅，桂林电子科技大学材料科学与工程学院硕士研究生，在卢照研究员、卿华教授的指导下进行研究。目前主要研究领域为轻质金属合金。

卿华，通信作者，硕士，空军工程大学航空机务

士官学校飞机战伤抢修技术研究中心教授究生导师。目前主要从事航空修理等方面的研究。

卢照，通信作者，博士，桂林电子科技员、硕士研究生导师。目前主要从事稀土功能材料、轻质金属结构材料等方面的研究

（注，原文标题：电脉冲处理对TC4钛合金组织及力学性能的影响）