引言

TC4钛合金因比强度高、耐侵蚀、生物相容性好等优异机能而被宽泛用于航空航天、航！！、医疗和生物领域［1-7］
，已经成为国内外利用极宽泛的中等强度的钛合金之一。。。只管热处置（HT）是改善TC4钛合金微观组织和机能的常用步骤之一
，但其在机能提升方面存在局限性
，耗时、能耗高且需专用设备
，这些成分制约了出产过程朝更环：：：涂沙中缘姆较蚍⒄埂。。因而
，索求一种高效、环保且急剧的资料机能改善步骤对推进钛合金的利用与开发至关重要。。。

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降落
，塑性得到加强
，这种景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］等金属及合金发展电脉冲处置钻研。。。电脉冲处置（Ｅｌｅｃｔｒｏｐｕｌｓｉｎｇｔｒｅａｔｍｅｎｔ
，EPT）的重要作用机理是通过对资料施加脉冲电流
，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资料的微观组织和力学机能。。。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］钻研发现TC11钛合金经EPT后塑性提高了11.3％
，委顿机能有所提升
，且EPT能引发部门再结晶。。。Ｐａｎ等［15］通过对比EPT与HT技术处置的6061合金
，发此刻较短的功夫（1000ｍｓ内）内
，6061合金的强度增长50％以上
，延长率提升2.1％。。。徐晓峰团队［16］通过尝试与有限元仿真钻研Al-Mg-Si合金
，发现EPT能加快位错活动
，形成大量亚晶粒
，得到拥有卓越延展性的Al-Mg-Si合金。。。固然钻研证明EPT能有效改善资料的组织及力学机能［17-21］
，其中
，陆续性脉冲电流对金属的处置已受到宽泛钻研
，但间歇式循环脉冲电流对资料的影响仍较为有限
，因而
，有必要进一步索求间歇式循环脉冲电流对资料的影响。。。

本工作以TC4钛合金板材为尝试对象
，利用自主研发的电脉冲处置设备
，对其进行了间歇式循环脉冲电流处置。。。通过扭转EPT的电压幅度和循环次数
，深刻探求了EPT对TC4钛合金板材微观组织结构和力学机能的影响。。。

1、尝试

尝试使用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
，用砂纸去除理论氧化层。。。电冲处置时将试样夹持在自主研发的电脉冲处置设备的铜电极间
，使试样理论与铜极缜密接触
，施加设定的电压和循环次数
，电脉冲处置实现后
，对试样进行力学机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尝试的电脉冲波形如图1ａ所示
，设备道理如图1ｂ所示。。。该设备的主题是由三组电容器组成
，通过节制系统输入设定电压值进行放电
，输出电流受放电电压节制
，电容组自动同时充电
，达到预设电压后顺次放电。。。每组电容器开释电距离为3ｍｓ
，三组电容器顺次放电一次为1个循环
，每个循环间充电距离约2ｓ
，充电电压领域为0～1500Ｖ。。。拉伸试样的设计遵循ＧＢ／Ｔ228.1-2010《金属资料拉伸试验》尺度
，尺寸如图1ｃ所示。。。EPT尝试在室温环境下进行
，同时使用Ｅ3ＭＨ-Ｆ2-Ｌ-0-0型红外热像仪（测温领域：：：150～1800℃）实时监测脉冲处置过程中试样中心区域的温度变动
，获得EPT过程中试样的温度与功夫变动曲线。。。

拉伸试样的平行段长度为30ｍｍ
，宽度为10ｍｍ
，共分为6组
，每组蕴含3个平行试样。。。Ｅ-0试样未经过EPT
，作为原始对照组。。。其他组试样凭据表2所示的参数进行EPT。。。EPT后对试样理论进行抛光与丈量。。。选取ＭＴＳ公司出产的Ｌａｎｄｍａｒｋ370.10型液压伺服资料试验机对试样进行室温拉伸测试
，应变速度为0.00025ｓ－1。。。为验证了局的一致性
，每组参数均通过3个平行试样进行反复测试。。。

表 2 电脉冲处置参数

在EPT后试样区域中心地位进行取样
，使用Ｑ-2Ｂ金相试样镶嵌机镶样
，顺次使用180！！、240！！、600！！、1200！！、2000！！、4000＃砂纸对金相试样进行机械研磨
，而后使用ＯＰＳ抛光液进行抛光处置
，最后用无水乙醇超声洗濯10ｍｉｎ。。。拔取。。耍澹欤欤澹蚴约粒ǎ郑ǎ龋疲茫郑ǎ龋危₃）∶Ｖ（ＨＣｌ）∶Ｖ（Ｈ₂Ｏ）＝1∶2.5∶1.5∶95）进行侵蚀处置
，选取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、了局与分析

2.1　EPT试样温度变动法规

EPT过程中的焦耳热效应通过监测试样温度变动来评估。。。如图2ａ所示
，分歧电压、循环次数下试样的温度响应存在差距。。。试样测试段的温度受电压、散热前提、截面尺寸等的影响［19
，22-23］。。。EPT过程中的温度变动分为三个阶段：：：第一阶段
，急剧升温阶段
，试样中心区域理论在约50ｓ达到最高温度（Ｅ-1试样之外）。。。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
，靠近最高温度后
，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颠簸的等幅循环；；；第三阶段
，EPT实现后降温阶段
，试样以6～8.5℃／ｓ的均匀冷却速度急剧降温至室温。。。

EPT过程中试样中心区域理论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
，温度变动领域越大。。。试样与铜电极接触面积和压力变动导致接触电阻、试样电阻及散热前提的变动
，在高电流密度下引起温度颠簸。。。EPT过程中试样中心区域理论的最高温度与最大电流密度呈近似线性关系
，如图2ｃ所示。。。拔取循环次数为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］证了然当电流密度增长时EPT的热效应降低。。。EPT终场后
，试样以与测试段最高温度成正比的冷却速度降温
，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理论的最高温度
，J_max为EPT过程中试样的最大电流密度。。。

2.2　EPT对力学机能的影响

图3ａ为TC4钛合金在分歧参数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、延长率变动。。。表3汇总了每个参数EPT后试样的数据了局
，均为三个试样的均匀值。。。原始试样的极限抗拉强度（Ｕｌｔｉｍａｔｅｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈ
，ＵＴＳ）为1058ＭＰａ
，屈服强度（Ｙｉｅｌｄｓｔｒｅｎｇｔｈ
，ＹＳ）为983ＭＰａ
，延长率（Ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ
，ＥＬ）为10.9％。。。EPT后
，抗拉强度根基维持不变
，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］。。。延长率随电压的提高先有所增长
，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
，再次提高电压后延长率逐步降低。。。因而
，EPT在维持抗拉强度根基不变的情况下
，提高了TC4钛合金的延展性
，降低了屈服强度。。。

表 3 分歧 EPT 试样力学机能

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相存在荟萃景象
，这是TC4钛合金板材在轧制过程中晶格畸变和位错活动所致
，这种荟萃故障了位错活动
，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
，能够看出
，在低电压EPT后
，荟萃的β相轻微溶化
，散布更均匀
，这有利于削减位错缠结和部门应力集中
，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相削减且尺寸减小
，α相产生再结晶
，塑性略有提升。。。随循环次数增长
，Ｅ-3试样的α相趋于等轴状
，如图4ｄ所示
，EPT的累积热效应推进了再结晶和再结晶晶粒长大
，等轴状α晶粒的形成关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
，有利于降低分歧相之间的变形不协调性
，削减应力集中
，从而使试样的塑性得到加强［26］
，因而Ｅ-3试样伸长率提升最显著
，达13.4％。。。此外
，EPT在资料内部产生不均匀的温度和应力散布
，推进终部门区域的再结晶和部门晶粒粗壮
，这些变动会降低屈服强度
，但对整体资料强度的影响不大
，抗拉强度维持不变。。。如图4ｅ所示
，Ｅ-4试样中α相晶粒相互“吞噬”长大
，转变为更粗壮的α相
，晶界：：：
，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
，等轴组织内部门布着针状马氏体
，然而在光学显微镜下无法分辨其内部组织变动
，必要借助扫描电镜进行组织分析。。。

Ａｏ等［19］钻研发现
，HT难以在短功夫内扭转TC4钛合金的微观组织
，与HT相比
，EPT不仅拥有热效应
，还有非热效应的贡献。。。TC4钛合金的再结晶通常在750℃左近进行［27-28］
，然而在EPT前提下试样区域中心理论的最高温度在683.9℃左右就能观察到再结晶景象。。。EPT能推进位错进入亚晶界
，提供额外的原子扩散通量
，推进亚晶界的迁徙与归并
，进而诱导再结晶［29］
，因而
，EPT能够有效降低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相呈玄色
，β相呈白色
，藐小的二次α相弥散散布在α相中
，亚稳态β相呈颗粒状或点状嵌在α基体中
，部门β相颗粒中存在孔隙缺点
，α／β相界面出现锯齿状
，易导致裂纹形成与扩大
，这些成分影响了TC4钛合金的力学机能。。。Ｅ-1试样的显微组织如图5ｂ所示
，微观组织变动不显著
，但点状的β相险些隐没
，亚稳态β相呈“河道状”散布在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
，批注EPT可能推进原子扩散
，实现孔隙急剧愈合［21
，30］。。。α／β相晶界显著钝化
，EPT有效溶化了晶粒的尖端区域［31］
，因而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相根基隐没
，α相曲率半径增大
，出现球状化
，这降低了资料内部门歧相之间的变形不协调性
，应力集中得到有效缓解
，削减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
，资料的屈服强度有所降低
，而抗拉强度维持不变或略有降低。。。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
，试样产生齐全再结晶及相变
，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
，这些拥有一样取向的针状α相小集体均称为“α相集束”［32］
，α相集束成为裂纹的发源点
，导致试样的延长率降低。。。针状α相集束的形成导致晶界弯曲
，但晶界的变动和α相集束的形成相互平衡
，均匀散布的针状α相集束作为位错活动的阻碍
，抵消了对资料抗拉强度的潜在影响。。。因而
，EPT作为一种后处置步骤
，不仅能够改善TC4钛合金的微观组织及力学机能
，还能够修复微裂纹。。。

变过程中总的吉布斯自由能（Ｇｉｂｂｓｆｒｅｅｅｎｅｒｇｙ）的变动决定的
，Ｇｉｂｂｓ自由能是描述相变过程中系统能量变动的一个重要参数。。。在EPT中
，资料会产生额外的自由能变动［33-34］
，这种景象可能与电场对资料内部粒子的相互作用和分列方式有关。。。α-Ｔｉ向β-Ｔｉ的相变能够用系统的Ｇｉｂｂｓ自由能变动暗示
，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）能够得出
，EPT中α-Ｔｉ向β-Ｔｉ转变的Ｇｉｂｂｓ自由能可暗示为

ΔＧ_EPT＝ΔＧ₀＋μ₀ｇ（ａ
，ｂ）ζ（σ_α
，σ_β）ｊ2ΔＶ（4）

式中：：：ΔＧ_EPT为EPT作用下整个别系总的Ｇｉｂｂｓ自由能变动
，ΔＧ₀、ΔＧ_ｅ别离为无EPT系统的Ｇｉｂｂｓ自由能和EPT诱导Ｇｉｂｂｓ自由能变动
，μ₀为真空中的磁化率
，ｇ（ａ
，ｂ）为粗晶资料的相对几何因子
，ξ（σ_α
，σ_β）为原子核与基体的电个性因子
，σ_α和σ_β别离是α-Ｔｉ和β-Ｔｉ的电导率。。；；；谑剑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）

凭据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自由能变动
，ΔＧｍ为尺度Ｇｉｂｂｓ自由能变动
，Ｒ为梦想气体常数
，Ｔ为绝对温度
，Ｑ为反映熵。。。在钛合金中
，α相向β相的转变涉及Ｇｉｂｂｓ自由能的变动。。。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］。。。因而
，与HT相比
，EPT可能在更低的温度和更短的功夫内诱发TC4钛合金的相变。。。EPT技术具备显著的加热速度优势
，并且处置功夫更短
，在资料科学领域中成为一种高效且节能的后处置选择。。。

2.4　EPT前后拉伸断口

图6为TC4钛合金经分歧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、扯破棱和“小平面”的描摹
，为准解理断口。。。韧窝的出现批注合金的断裂大局为韧性断裂。。。韧窝的存在是合金产生韧性断裂的基础成分之一
，其尺寸及深浅可能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
，在断裂过程中受到部门应力集中的影响
，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试样韧窝散布相对均匀且数量削减
，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
，批注在400Ｖ电压、50次循环的EPT后
，试样韧窝形核地位较少
，每个韧窝在经历较大的塑性变形后才产生断裂
，塑性得到显著的提升。。。如图6ｅ、ｆ所示
，Ｅ-4、Ｅ-5试样的韧窝散布不均匀
，小而浅的韧窝增长延长率降落。。。因而
，Ｅ-3试样展示出最佳的塑性。。。

3、结论

（1）TC4钛合金在EPT过程中
，其区域中心理论的温度变动蕴含三个阶段：：：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颠簸的等幅循环；；；最后
，EPT实现后
，温度迅速降低至室温。。。EPT过程中试样区域中心理论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
，随电压的增长
，延长率先提高后降低。。。当施加400Ｖ电压、50次循环的EPT时
，延长率最高
，比原始试样高22.9％。。。同时
，屈服强度有所降低
，而抗拉强度根基维持不变。。。

（3）与HT相比
，EPT不仅蕴含热效应
，还结合了非热效应
，能在短功夫内改善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。。。这不仅显著推进再结晶和相变过程
，还改善了资料的微观组织结构
，提高了资料的加工性和使用机能。。。

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ｂｅｈａｖｉｏｒｏｆＴＡ15Ｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｗｉｔｈｌａｍｅｌｌａｒｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｎａｌｐｈａａｎｄｂｅｔａｐｈａｓｅｆｉｅｌｄ
，Ｐｈ.Ｄ.Ｔｈｅｓｉｓ
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，博士学位论文
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28ＰｅｔｅｒｓＭ
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，ｅｔａｌ.ＡｄｖａｎｃｅｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌｓ
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29ＧａｏＬＬ
，ＬｉｕＪＸ
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，ｅｔａｌ.ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ：：：Ａ
，2014
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30ＹａｎＸＤ
，ＸｕＸＦ
，ＷＣ
，ｅｔａｌ.ＳｕｒｆａｃｅａｎｄＣｏａｔｉｎｇｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
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，458
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31ＷａｎｇＦ
，ＱｉａｎＤＳ
，ＨｕａＬ
，ｅｔａｌ.ＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＲｅｐｏｒｔｓ
，2019
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32ＺｈｏｎｇＸＹ.ＥｆｆｅｃｔｏｆｅｌｅｃｔｒｏｐｕｌｓｉｎｇｔｒｅａｔｍｅｎｔａｎｄａｇｉｎｇｏｎｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆTC4Ｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｓｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｉｔｉａｌｓｔａｔｅｓ.Ｍａｓｔｅｒ’ｓＴｈｅｓｉｓ
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，硕士学位论文
，吉林大学
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33ＧｏｌｏｖｉｎＹＩ
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，ｅｔａｌ.ＨｅａｔＴｒｅａｔｍｅｎｔｏｆＭｅｔａｌｓ
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鲁岩娜
，龙佳慧
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，等.金属热处置
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，Ｍａｓｔｅｒ’ｓＴｈｅｓｉｓ
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杨雪慧.脉冲电流处置实时效处置对TC4钛合金组织及机能的影响.硕士学位论文
，吉林大学
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38ＣｈｅｎＪＨ
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，2021
，50（6）
，1883．

王帅
，白银电子科技大学资料科学与工程学院硕士钻研生
，在卢照钻研员、卿华教授的领导下进行钻研。。。目前重要钻研领域为轻质金属合金。。。

卿华
，通讯作者
，硕士
，空军工程大学航空机务

士官学堂飞机战伤抢修技术钻研中心教授究生导师。。。目前重要从事航空修理等方面的钻研。。。

卢照
，通讯作者
，博士
，白银电子科技员、硕士钻研生导师。。。目前重要从事稀土职能资料、轻质金属结构资料等方面的钻研

（注
，原文标题：：：电脉冲处置对TC4钛合金组织及力学机能的影响）