自21世紀(jì)以來(lái)，人們愈加重視汽車輕量化、節(jié)能環(huán)保、可持續(xù)性發(fā)展，而快速發(fā)展的汽車也帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。因此，對(duì)于高性能綠色金屬的需求日益增多，鋁合金、鎂合金、鈦合金等金屬在近年來(lái)得到了迅速的發(fā)展[1]，鈦合金這種新興材料，因其密度低、比強(qiáng)度高、彈性模量低、韌性佳、耐疲勞、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用[2-5]。鈦合金的易加工性能使它大量地用于制造各種管材、鍛件、板材、棒材等產(chǎn)品[6-7]。但是鈦合金耐磨性差，切削加工難度大，使其加工制造有一定難度，熔煉、鑄造等工藝中容易和氧、氫等雜質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生產(chǎn)成本高，在一定程度上限制了鈦合金的進(jìn)一步發(fā)展[8-9]。在鈦合金管材的擠壓過(guò)程中，擠壓溫度、速度、擠壓比等都是極其重要的工藝參數(shù)，而目前關(guān)于鈦合金管材擠壓方面的研究還較為鮮見(jiàn)[10-11]。所以，本文以Ti-6Al-4V-lNi-0.5Cr鈦合金管材為試驗(yàn)對(duì)象，研究了擠壓溫度和擠壓比對(duì)管材性能的影響，以期為合金管材的擠壓工藝優(yōu)化提供參考。

1、試驗(yàn)材料及方法

研究對(duì)象為擠壓成形的Ti-6Al-4V-lNi-0.5Cr鈦合金管材，其化學(xué)成分如表1所示。按照表1所示化學(xué)元素配比稱量原料，混合均勻后，將原料置于真空自耗電弧爐內(nèi)進(jìn)行三次熔煉,熔煉在真空下進(jìn)行，獲得直徑為φ462mm的鑄錠。在31.5MN油壓機(jī)上對(duì)鑄錠進(jìn)行6火次鍛造,得到不同直徑的棒坯。采用擠壓工藝，在25MN臥式擠壓機(jī)上成形出鈦合金管材，其外徑為φ42mm,壁厚6mm。由于擠壓溫度、擠壓速度和擠壓比是極其重要的三個(gè)擠壓參數(shù)，模具預(yù)熱溫度350°C,擠壓速度70mm/s。所有樣品都未進(jìn)行熱處理。

在鈦合金管材樣品的兩端沿縱向分別切取2個(gè)拉伸試樣，試樣平行段尺寸為φ5mm×40mm，拉伸試驗(yàn)溫度為室溫，試驗(yàn)后記錄強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率，以2個(gè)平行試樣測(cè)試值的算術(shù)平均值作為試樣最終值,拉伸斷口形貌則選取EVO型掃描電鏡觀察。磨損試驗(yàn)在MMU-10G型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，磨損試樣大小為φ5mm×13mm,在鈦合金管材試樣的兩端沿縱向各切取一個(gè)磨損試樣。試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，對(duì)磨材料選用硬度45HRC的45鋼，摩擦速度0.05 m/s，載荷110N,磨損30min后，記錄磨損體積，磨損體積為2次試驗(yàn)后的平均值。采用EVO型掃描電鏡觀察和分析鈦合金管材試樣表面的磨損情況。

2、試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1力學(xué)性能

2.1.1不同擠壓溫度下管材的力學(xué)性能及拉伸斷口形貌

在擠壓比16下，經(jīng)850?950°C擠壓成形的Ti-6AI-4V-lNi-0.5Cr鈦合金管材試樣的力學(xué)性能如圖1所示。在850?950°C擠壓溫度區(qū)間，試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨著擠壓溫度的增加而表現(xiàn)為先緩慢增大后減小的變化趨勢(shì)，斷后伸長(zhǎng)率的變化則與之相反。從圖1可知，試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的最小值均出現(xiàn)在850°C擠壓溫度時(shí)，強(qiáng)度值分別為1391、1280 MPa,而斷后伸長(zhǎng)率則在此時(shí)最大(17.5%)。綜合可知，此時(shí)試樣的強(qiáng)度最差。隨著擠壓溫度不斷升高，斷后伸長(zhǎng)率減小，強(qiáng)度增大。擠壓溫度925°C時(shí)，抗拉強(qiáng)度值高達(dá)1430MPa,斷后伸長(zhǎng)率15.8%,屈服強(qiáng)度1318MPa；與850°C擠壓溫度時(shí)相比，抗拉強(qiáng)度增大了 39MPa,屈服強(qiáng)度增大38MPa,而伸長(zhǎng)率減小幅度較小，僅為1.7%。當(dāng)擠壓溫度繼續(xù)升高至950°C,試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度值均有所減小。

圖2是不同擠壓溫度下擠壓成形的Ti-6A1-4V-lNi-0.5Cr鈦合金管材試樣的拉伸斷口 SEM形貌照片。三種試樣都具有韌性斷裂的特征，在850°C擠壓時(shí)試樣的斷口處韌窩尺寸粗大似孔洞，撕裂棱顯著，此時(shí)試樣強(qiáng)度、韌性低下；925 °C擠壓時(shí)，試樣的斷口形貌發(fā)生巨大改變，韌窩尺寸顯著變小，韌窩分布均勻，撕裂棱也更為細(xì)小淺顯，此時(shí)試樣的強(qiáng)度、塑性最好；而950°C擠壓下試樣的韌窩尺寸介于850°C擠壓和925 °C擠壓之間，力學(xué)性能居中。這和之前管材試樣的強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率的測(cè)試結(jié)果是一致的。

2.1.2不同擠壓比下試樣的力學(xué)性能

管材力學(xué)性能如圖3所示，試樣在925°C擠壓溫度下經(jīng)擠壓比10?18擠壓成形的。在擠壓比10~18區(qū)間，試樣的抗拉、屈服強(qiáng)度值先緩慢增大后減小，伸長(zhǎng)率的變化走向則與之相反。從圖3可知，試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的最小值均出現(xiàn)在擠壓比10時(shí)，強(qiáng)度值分別為1393、1284MPa,而斷后伸長(zhǎng)率則在此時(shí)最大(17.1%),此時(shí)試樣的強(qiáng)度表現(xiàn)最差。隨擠壓比增大，斷后伸長(zhǎng)率減小，強(qiáng)度增大。當(dāng)擠壓比為16時(shí)，抗拉強(qiáng)度值達(dá)1430MPa,屈服強(qiáng)度達(dá)1318MPa,斷后伸長(zhǎng)率則降至15.8%,此時(shí)強(qiáng)度表現(xiàn)最佳，與擠壓比10的結(jié)果相比，抗拉、屈服強(qiáng)度各增大了 37、34MPa,而伸長(zhǎng)率減小幅度較 小，僅為1.3%。綜合不同擠壓溫度和擠壓比下的強(qiáng)度測(cè)試值和拉伸斷口形貌分析可以得知，從優(yōu)化Ti-6Al-4V-lNi-0.5Cr鈦合金管材試樣的力學(xué)性能出發(fā)，擠壓溫度優(yōu)選為925°C,擠壓比優(yōu)選為16。

2.2耐磨損性能

2.2.1不同擠壓溫度下試樣的耐磨損性能

在擠壓比16下，經(jīng)850~950°C擠壓成形的試樣的耐磨損性能如圖4所示。在850~950°C擠壓溫度區(qū)間，試樣的磨損體積先減小后緩慢增大。從圖4可知，在850°C擠壓溫度時(shí)，試樣的磨損體積最大，值為28x10^-3mm³,此時(shí)磨損最為嚴(yán)重；隨著擠壓溫度不斷升高，磨損程度加重，在925 °C擠壓溫度下試樣的磨損體積減小，降至最小值17x10^-3mm³,此時(shí)磨損程度最小,耐磨損性能表現(xiàn)最佳，與850°C擠壓時(shí)相比，磨損體積減小了 39.29%。當(dāng)擠壓溫度繼續(xù)升高至950°C,試樣的磨損體積增大至19x10^-3mm³。

2.2.2不同擠壓比下試樣的磨損情況

在925°C擠壓溫度下，經(jīng)10~18擠壓比擠壓成形的試樣的耐磨損性能如圖5所示。在擠壓比10~18區(qū)間，試樣的磨損體積先減小后增大。從圖5可知，在擠壓比10時(shí)，試樣的磨損體積最大，為27×10^-3mm³此時(shí)磨損最為嚴(yán)重；隨著擠壓比不斷增大,磨損體積漸漸減小。當(dāng)擠壓比增至16時(shí)，試樣的磨損體積減小至最小,17×10^-3mm³，此時(shí)磨損程度最小，耐磨損性能表現(xiàn)最佳，與擠壓比10擠壓時(shí)相比,磨損體積減小了 37.04%。當(dāng)擠壓比繼續(xù)增至18時(shí)，磨損體積為18×10^-3mm³,耐磨損性能下降。

圖6是經(jīng)擠壓溫度925°C和擠壓比10、16、18擠壓成形的試樣的磨損表面SEM照片。在三種擠壓比下試樣都有一定的磨損，其中，擠壓比10的試樣表面有較多且粗大的撕裂棱產(chǎn)生，并有少許白色氧化物痕跡，此時(shí)磨損最為嚴(yán)重；擠壓比16的試樣磨損程度得到極大程度減輕，磨痕變淺顯，且僅有極少的磨痕產(chǎn)生，此時(shí)磨損程度最輕微;但擠壓比并非越大越有益于耐磨損性能的提升,擠壓比18的試樣磨損程度較擠壓比16時(shí)加重，磨痕增大、增多，耐磨損性能次之。因此，綜合之前不同擠壓溫度和擠壓比下試樣的磨損體積測(cè)試結(jié)果來(lái)看，從優(yōu)化耐磨損性能出發(fā)，擠壓溫度優(yōu)選為925 °C,擠壓比優(yōu)選為16。

3、討論與分析

由于擠壓溫度、擠壓速度和擠壓比是鈦合金管材擠壓過(guò)程中極其重要的三個(gè)擠壓工藝參數(shù)，會(huì)較多地影響到管材的綜合性能，所以在鈦合金管材的擠壓過(guò)程中，僅改變擠壓溫度和擠壓比，研究了擠壓溫度和擠壓比對(duì)其力學(xué)性能和耐磨損性能的影響。從試驗(yàn)結(jié)果可看出，在925°C擠壓溫度、擠壓比16下試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度最大，磨損體積最小，力學(xué)、耐磨損性能處于最優(yōu)，過(guò)低或過(guò)高的擠壓溫度或擠壓比下試樣的力學(xué)、耐磨損性能均較差。原因在于擠壓溫度和擠壓比過(guò)低時(shí)，合金試樣組織內(nèi)的晶粒無(wú)法進(jìn)行充分的塑性變形，晶粒粗大。隨著擠壓溫度和擠壓比的升高，合金試樣內(nèi)部集結(jié)了變形熱量及儲(chǔ)能，試樣發(fā)生充分的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，相逐漸拉長(zhǎng)變細(xì)，晶粒逐漸細(xì)化，晶粒間隙減小，組織變均勻、致密，強(qiáng)度增大，力學(xué)性能和耐磨損性能得以提升。但擠壓溫度、擠壓比過(guò)高，合金內(nèi)部會(huì)因過(guò)高的熱量而使組織晶粒長(zhǎng)大、粗化，強(qiáng)度相反會(huì)下降，力學(xué)、耐磨損性能均會(huì)變差。綜上所述，從優(yōu)化Ti-6A1-4V-1 Ni-0.5Cr鈦合金管材試樣的力學(xué)性能和耐磨損性能出發(fā)，擠壓溫度優(yōu)選為925 °C,擠壓比優(yōu) 選為16。

4、結(jié)論

(1)在850~950°C擠壓溫度、擠壓比10~18區(qū)間，隨著擠壓溫度的升高和擠壓比的增加，Ti-6Al-4V-1Ni-0.5Cr鈦合金試樣的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度先增大后減小，磨損體積和斷后伸長(zhǎng)率先減小后增大。

(2) 與850°C擠壓的結(jié)果相比,925°C擠壓時(shí)試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別增大了 39、38MPa,斷后伸長(zhǎng)率和磨損體積分別減小了 1.7%.39.29%；與擠壓比10時(shí)的結(jié)果相比，擠壓比16的試樣抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別增大了 37、34MPa,斷后伸長(zhǎng)率和磨損體積分別減小了 3.7%、37.04%。

(3) 為了優(yōu)化擠壓 Ti-6Al-4V-1Ni-0.5Cr鈦合金管材的力學(xué)性能和耐磨損性能，擠壓工藝參數(shù)優(yōu)選為擠壓溫度925°C和擠壓比16。

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