自21世紀以來，人們愈加重視汽車輕量化、節能環保、可持續性發展，而快速發展的汽車也帶來了嚴重的環境問題。因此，對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得到了迅速的發展[1]，鈦合金這種新興材料，因其密度低、比強度高、彈性模量低、韌性佳、耐疲勞、抗腐蝕等優點而被廣泛地應用[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、氫等雜質發生反應，生產成本高，在一定程度上限制了鈦合金的進一步發展[8-9]。在鈦合金管材的擠壓過程中，擠壓溫度、速度、擠壓比等都是極其重要的工藝參數，而目前關于鈦合金管材擠壓方面的研究還較為鮮見[10-11]。所以，本文以Ti-6Al-4V-lNi-0.5Cr鈦合金管材為試驗對象，研究了擠壓溫度和擠壓比對管材性能的影響，以期為合金管材的擠壓工藝優化提供參考。

1、試驗材料及方法

研究對象為擠壓成形的Ti-6Al-4V-lNi-0.5Cr鈦合金管材，其化學成分如表1所示。按照表1所示化學元素配比稱量原料，混合均勻后，將原料置于真空自耗電弧爐內進行三次熔煉,熔煉在真空下進行，獲得直徑為φ462mm的鑄錠。在31.5MN油壓機上對鑄錠進行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擠壓參數，模具預熱溫度350°C,擠壓速度70mm/s。所有樣品都未進行熱處理。

在鈦合金管材樣品的兩端沿縱向分別切取2個拉伸試樣，試樣平行段尺寸為φ5mm×40mm，拉伸試驗溫度為室溫，試驗后記錄強度和斷后伸長率，以2個平行試樣測試值的算術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。磨損試驗在MMU-10G型摩擦磨損試驗機上進行，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磨損試樣。試驗在室溫下進行，對磨材料選用硬度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、試驗結果及討論

2.1力學性能

2.1.1不同擠壓溫度下管材的力學性能及拉伸斷口形貌

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

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擠壓時試樣的斷口處韌窩尺寸粗大似孔洞，撕裂棱顯著，此時試樣強度、韌性低下；925 °C擠壓時，試樣的斷口形貌發生巨大改變，韌窩尺寸顯著變小，韌窩分布均勻，撕裂棱也更為細小淺顯，此時試樣的強度、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，力學性能居中。這和之前管材試樣的強度、斷后伸長率的測試結果是一致的。

2.1.2不同擠壓比下試樣的力學性能

管材力學性能如圖3所示，試樣在925°C擠壓溫度下經擠壓比10?18擠壓成形的。在擠壓比10~18區間，試樣的抗拉、屈服強度值先緩慢增大后減小，伸長率的變化走向則與之相反。從圖3可知，試樣的抗拉強度和屈服強度的最小值均出現在擠壓比10時，強度值分別為1393、1284MPa,而斷后伸長率則在此時最大(17.1%),此時試樣的強度表現最差。隨擠壓比增大，斷后伸長率減小，強度增大。當擠壓比為16時，抗拉強度值達1430MPa,屈服強度達1318MPa,斷后伸長率則降至15.8%,此時強度表現最佳，與擠壓比10的結果相比，抗拉、屈服強度各增大了 37、34MPa,而伸長率減小幅度較 小，僅為1.3%。綜合不同擠壓溫度和擠壓比下的強度測試值和拉伸斷口形貌分析可以得知，從優化Ti-6Al-4V-lNi-0.5Cr鈦合金管材試樣的力學性能出發，擠壓溫度優選為925°C,擠壓比優選為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，試樣的磨損體積最大，值為28x10^-3mm³,此時磨損最為嚴重；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,此時磨損程度最小,耐磨損性能表現最佳，與850°C擠壓時相比，磨損體積減小了 39.29%。當擠壓溫度繼續升高至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，試樣的磨損體積最大，為27×10^-3mm³此時磨損最為嚴重；隨著擠壓比不斷增大,磨損體積漸漸減小。當擠壓比增至16時，試樣的磨損體積減小至最小,17×10^-3mm³，此時磨損程度最小，耐磨損性能表現最佳，與擠壓比10擠壓時相比,磨損體積減小了 37.04%。當擠壓比繼續增至18時，磨損體積為18×10^-3mm³,耐磨損性能下降。

圖6是經擠壓溫度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生，并有少許白色氧化物痕跡，此時磨損最為嚴重；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生，此時磨損程度最輕微;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試結果來看，從優化耐磨損性能出發，擠壓溫度優選為925 °C,擠壓比優選為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程中極其重要的三個擠壓工藝參數，會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其力學性能和耐磨損性能的影響。從試驗結果可看出，在925°C擠壓溫度、擠壓比16下試樣的抗拉強度、屈服強度最大，磨損體積最小，力學、耐磨損性能處于最優，過低或過高的擠壓溫度或擠壓比下試樣的力學、耐磨損性能均較差。原因在于擠壓溫度和擠壓比過低時，合金試樣組織內的晶粒無法進行充分的塑性變形，晶粒粗大。隨著擠壓溫度和擠壓比的升高，合金試樣內部集結了變形熱量及儲能，試樣發生充分的動態再結晶，相逐漸拉長變細，晶粒逐漸細化，晶粒間隙減小，組織變均勻、致密，強度增大，力學性能和耐磨損性能得以提升。但擠壓溫度、擠壓比過高，合金內部會因過高的熱量而使組織晶粒長大、粗化，強度相反會下降，力學、耐磨損性能均會變差。綜上所述，從優化Ti-6A1-4V-1 Ni-0.5Cr鈦合金管材試樣的力學性能和耐磨損性能出發，擠壓溫度優選為925 °C,擠壓比優 選為16。

4、結論

(1)在850~950°C擠壓溫度、擠壓比10~18區間，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度、抗拉強度先增大后減小，磨損體積和斷后伸長率先減小后增大。

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

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

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