高速线材轧制工艺对Ti-6Al-4V合金小规格棒材组织与性能的影响

Ti-6Al-4V合金是应用最广泛的一种α+β双相钛合金，具有优异的综合性能，目前主要应用于航空、医疗、汽车及化工等领域。其棒材制品尤其是小规格棒材(Φ5～Φ20mm)制品主要用于制造飞机螺旋叶片、紧固件、人造骨骼、汽车阀门弹簧等零件。

目前Ti-6Al-4V合金小规格棒材的制备大多处于实验研究状态，应用于实际生产方面较少。然而，Ti-6Al-4V合金小规格棒材有巨大的市场潜力，需要进一步研究Ti-6Al-4V合金小规格棒材生产加工工艺，以满足市场需要。高速线材轧制以其精确的孔型设计，合理的张力及活套控制，以及单线无扭高速连续轧制方式，保证了产品具有普通轧机所难以保持的断面尺寸精度。将高速线材轧制方法应用于制备Ti-6Al-4V合金小规格棒材，简化了生产工艺流程，在改善了棒材质量的同时提高了生产效率。因此，采用高速线材轧制设备生产Ti-6Al-4V合金小规格棒材要比传统方式更具有优势。研究人员分析探讨了三种不同轧制生产工艺对Ti-6Al-4V合金小规格棒材组织和性能的影响。

本实验采用的高速线材轧制原始坯料为Ti-6Al-4V合金方形坯料(150mm×150mm×500mm)。经高速线材轧机轧制出Φ10mm小规格棒材，轧制工艺流程：首先，将合金方形坯料装入步进式加热炉中，均匀加热，保温2h。然后送入摩根式高速线材轧机机组进行轧制，初轧与预精轧温度控制在850～950℃，精轧温度控制在800～900℃。通过开冷却水降低精轧温度及吐丝温度，吐丝温度控制在800～850℃。最后，采用斯太尔摩冷却系统使盘条均匀冷却，制备出Φ10mm的小规格棒材。

在高速线材轧制过程中主要影响棒材组织的因素是初轧温度、精轧温度与吐丝温度。经测定本实验用Ti-6Al-4V合金的(α+β)/β相转变温度为960℃。研究确定了三种轧制工艺，初轧温度分别为850、900和950℃，精轧温度为800～900℃，吐丝温度800～850℃。试验结果如下：

（1）Ti-6Al-4V合金经过高速线材轧制后，合金发生加工硬化和位错的交互作用，使材料的强度和硬度提高。初轧温度为850℃时，棒材组织主要为初生等轴α+β组织，等轴α相出现长大，呈短棒状；当温度升高到900℃，棒材组织主要由等轴α和细小β转变组织组成的双态组织。随着温度进一步升高到950℃，棒材组织中等轴α相逐渐减少，β转变组织不断长大呈片状分布。与轧制前合金相比，随着初轧温度的升高，棒材强度和硬度增加，而塑性下降。初轧温度在950℃时，棒材的伸长率和断面收缩率下降明显，不能达到标准要求。

（2）确定初轧温度900℃，采用高速线材轧机制备出Φ10mm的Ti-6Al-4V合金小规格棒材。强度和塑性达到最佳配合，其抗拉强度为938MPa，屈服强度为866MPa，伸长率为13.1%，断面收缩率为26.5%。