高速線材軋制工藝對(duì)Ti-6Al-4V合金小規(guī)格棒材組織與性能的影響

Ti-6Al-4V合金是應(yīng)用最廣泛的一種α+β雙相鈦合金，具有優(yōu)異的綜合性能，目前主要應(yīng)用于航空、醫(yī)療、汽車及化工等領(lǐng)域。其棒材制品尤其是小規(guī)格棒材（Φ5～Φ20mm）制品主要用于制造飛機(jī)螺旋葉片、緊固件、人造骨骼、汽車閥門彈簧等零件。

目前Ti-6Al-4V合金小規(guī)格棒材的制備大多處于實(shí)驗(yàn)研究狀態(tài)，應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)方面較少。然而，Ti-6Al-4V合金小規(guī)格棒材有巨大的市場(chǎng)潛力，需要進(jìn)一步研究Ti-6Al-4V合金小規(guī)格棒材生產(chǎn)加工工藝，以滿足市場(chǎng)需要。高速線材軋制以其精確的孔型設(shè)計(jì)，合理的張力及活套控制，以及單線無扭高速連續(xù)軋制方式，保證了產(chǎn)品具有普通軋機(jī)所難以保持的斷面尺寸精度。將高速線材軋制方法應(yīng)用于制備Ti-6Al-4V合金小規(guī)格棒材，簡化了生產(chǎn)工藝流程，在改善了棒材質(zhì)量的同時(shí)提高了生產(chǎn)效率。因此，采用高速線材軋制設(shè)備生產(chǎn)Ti-6Al-4V合金小規(guī)格棒材要比傳統(tǒng)方式更具有優(yōu)勢(shì)。研究人員分析探討了三種不同軋制生產(chǎn)工藝對(duì)Ti-6Al-4V合金小規(guī)格棒材組織和性能的影響。

本實(shí)驗(yàn)采用的高速線材軋制原始坯料為Ti-6Al-4V合金方形坯料（150mm×150mm×500mm）。經(jīng)高速線材軋機(jī)軋制出Φ10mm小規(guī)格棒材，軋制工藝流程：首先，將合金方形坯料裝入步進(jìn)式加熱爐中，均勻加熱，保溫2h。然后送入摩根式高速線材軋機(jī)機(jī)組進(jìn)行軋制，初軋與預(yù)精軋溫度控制在850～950℃，精軋溫度控制在800～900℃。通過開冷卻水降低精軋溫度及吐絲溫度，吐絲溫度控制在800～850℃。最后，采用斯太爾摩冷卻系統(tǒng)使盤條均勻冷卻，制備出Φ10mm的小規(guī)格棒材。

在高速線材軋制過程中主要影響棒材組織的因素是初軋溫度、精軋溫度與吐絲溫度。經(jīng)測(cè)定本實(shí)驗(yàn)用Ti-6Al-4V合金的（α+β）/β相轉(zhuǎn)變溫度為960℃。研究確定了三種軋制工藝，初軋溫度分別為850、900、950℃，精軋溫度為800～900℃，吐絲溫度800～850℃。試驗(yàn)結(jié)果如下：

（1）Ti-6Al-4V合金經(jīng)過高速線材軋制后，合金發(fā)生加工硬化和位錯(cuò)的交互作用，使材料的強(qiáng)度和硬度提高。初軋溫度為850℃時(shí)，棒材組織主要為初生等軸α+β組織，等軸α相出現(xiàn)長大，呈短棒狀；當(dāng)溫度升高到900℃，棒材組織主要由等軸α和細(xì)小β轉(zhuǎn)變組織組成的雙態(tài)組織。隨著溫度進(jìn)一步升高到950℃，棒材組織中等軸α相逐漸減少，β轉(zhuǎn)變組織不斷長大呈片狀分布。與軋制前合金相比，隨著初軋溫度的升高，棒材強(qiáng)度和硬度增加，而塑性下降。初軋溫度在950℃時(shí)，棒材的伸長率和斷面收縮率下降明顯，不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）確定初軋溫度900℃，采用高速線材軋機(jī)制備出Φ10mm的Ti-6Al-4V合金小規(guī)格棒材。強(qiáng)度和塑性達(dá)到最佳配合，其抗拉強(qiáng)度為938MPa，屈服強(qiáng)度為866MPa，伸長率為13.1%，斷面收縮率為26.5%。