摘要
Ti-6Al-4V合金较差的耐磨性限制了其应用范围，晶粒细化是提高其耐磨性的重要方法。然而，晶粒细化作用下，Ti-6Al-4V合金存在强度和塑性矛盾使其耐磨性难以进一步提高。针对该问题，本文通过初始热处理调控合金组织，并进行多向锻造和低温退火处理，制备出强塑性匹配优异的双峰晶粒尺寸分布Ti-6Al-4V合金。采用光学显微镜、扫描电镜、透射电镜、X射线衍射、显微硬度、拉伸、往复摩擦试验等手段，探究显微组织结构对Ti-6Al-4V合金综合力学性能及摩擦磨损特性的影响。主要结论如下： （1）采用在880℃~900℃下保温1h并空冷的热处理工艺调控初始α晶粒和β转变片层组织的比例，结合600℃下三道次多向锻造制备出具有双峰晶粒尺寸分布的Ti-6Al-4V合金，其组织形态为平均晶粒尺寸约为5~10μm晶粒周围围绕着约147nm的超细晶。多向锻造过程中，初始α晶粒内部产生了大量位错并形成了亚晶粒结构，次生α片层和β片层构成的β转变组织通过扭曲和破碎形成α+β超细晶组织。多向锻造试样经过620℃退火后，较粗的α晶粒没有观察到明显的晶粒长大，而超细晶的平均晶粒尺寸略微增长至177nm，位错密度降低了约49%。 （2）多向锻造后双峰晶粒尺寸分布Ti-6Al-4V合金的硬度、抗拉强度和延伸率分别为367HV、1324MPa和8.4%，而经过退火后分别达到348HV、1280MPa和10.7%，相比退火粗晶母材试样，分别提高了6.7%、29.9%和9.2%，实现了强度和塑性的良好匹配。 （3）多向锻造后双峰晶粒尺寸分布Ti-6Al-4V合金试样的磨损率为10.3×10-5mm3/(N·m)，退火后磨损率降低28%，为7.4×10-5mm3/(N·m)，相比初始退火粗晶母材试样降低了36%。磨损率随摩擦试验载荷的增加呈现先降低后升高的趋势，随往复频率的增加呈现逐步降低的趋势。双峰晶粒尺寸分布Ti-6Al-4V合金试样的平均摩擦系数处于0.62~0.80之间，多向锻造后试样平均摩擦系数达到最低值，退火后平均摩擦系数略有升高。平均摩擦系数随摩擦试验载荷的增大呈现先降低后升高的趋势，随往复频率的增大逐步降低且动态摩擦系数波动范围逐步减小。 （4）双峰晶粒尺寸分布Ti-6Al-4V合金试样的磨损机制主要为轻微的粘着磨损、剥层磨损、磨粒磨损和氧化磨损。与退火粗晶母材试样相比，多向锻造试样的粘着磨损较轻微，退火处理后试样的剥层磨损显著减轻。摩擦试验载荷的增大加剧了粘着磨损，往复频率的增大主要加剧了剥层磨损。
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