Ti-6Al-4V合金新型复合显微组织的光电脉冲复合处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种Ti-6A1-4V合金新型复合显微组织获得方法，尤其涉及一种 Ti-6A1-4V合金新型复合显微组织的光电脉冲复合处理方法。
【背景技术】
[0002] 钛合金具有强度高、抗氧化、耐腐蚀及生物相容性好等突出特点，在航空、航天、国 防、民用、体育及生物医学领域都有广泛的应用前景。Ti-6A1_4V是目前用量最大的钛合金， 占世界钛合金加工件的95%，如何进一步提高该合金的综合性能一直是世界各国关注的热 点。Ti-6A1_4V是典型的α+β型合金，其组织形态和晶粒大小都强烈依赖于铸造、锻造、 热处理等热加工过程。无论是在普通退火态或淬火时效态下使用，合金的性能都由不同尺 寸、形态、数量及组合方式的α与β相的平衡关系所决定。即使显微组织类型一致，宏观 晶粒度的差异也会造成合金性能（如疲劳性能）的较大差别。目前，国内外研究均为单纯 电脉冲方式进行，退火后，其硬度和塑性都达不到工业应用要求，因此，采用适当的工艺方 法来控制其组织形态、结构和晶粒大小，对于充分发挥该合金的性能潜力，进一步提高其 综合性能、扩大其使用范围都具有特别重要的意义。
【发明内容】
[0003] 本发明设计开发了一种Ti-6A1_4V合金新型复合显微组织获得方法，对脉冲激光 器输出光路进行了优化设计，并采用激光脉冲冲击方法和脉冲电流处理方法相结合的方 式，使其力学性能有显著的提高。
[0004] 本发明的技术方案为：
[0005] Ti-6A1_4V合金新型复合显微组织的光电脉冲复合处理方法，其特征在于，
[0006] 步骤一：将Ti-6A1_4V合金片状零件进行试样拉伸；
[0007] 步骤二：脉冲激光器经全反射棱镜进行反射，改变光线传播方向，再经高斯转平 顶透镜，将高斯光转换为平顶光，再经扩束镜进行扩束，输出光线对Ti-6A1_4V合金试样进 行能量冲击；
[0008] 脉冲激光器工艺参数为，脉冲能量OJ~7J，脉冲宽度1.5ns~3. 6ns，重复频率 10HZ，脉冲持续时间为3s~5s ;
[0009] 步骤三：将经激光冲击后Ti-6A1_4V合金零件两端分别与脉冲电源的正负极相 连，通过电容器放电来获得脉冲电流，工艺参数：电流为20000A~26000A，脉宽为50 μ s~ 120 μ s，脉冲持续时间为200 μ s~800 μ s ;
[0010] 步骤四：将电脉冲处理后Ti-6A1-4V合金零件放置于真空退火箱内进行冷却，工 艺参数真空度10 3~10 4Pa，温度500±10°C，时间0. 6h~I. 2h，获得Ti-6A1-4V合金的新 型复合显微结构。
[0011] 优选的是，所述的全反射棱镜为45°等腰直角棱镜，斜面镀金属反射膜。
[0012] 优选的是，所述扩束镜倍率为2倍~5倍。
[0013] 优选的是，所述的脉冲激光脉冲能量为6. 8J，脉冲电流峰值为20000A~26000A。
[0014] 优选的是，所述的脉冲激光脉冲宽度为3. 2ns，所述的脉冲电流脉宽为100 μ s。
[0015] 优选的是，所述的脉冲激光器脉冲持续时间为4s~5s，所述的脉冲持续时间为 400 μ s ~600 μ s〇
[0016] 优选的是，脉冲激光器脉冲持续时间为4. 5s，所述的脉冲持续时间为500 μ s。
[0017] 优选的是，所述的真空退火时间为0. 8h。
[0018] 优选的是，所述的Ti-6A1_4V合金拉伸试样中Ti的质量分数由β-Ti以a -Ti 10 %组成。
[0019] 优选的是，所述的Ti-6A1_4V合金拉伸试样零件厚度为1mm~6mm。
[0020] 本发明的有益效果
[0021] 本发明通过对脉冲激光器输出光路进行优化设计，使脉冲冲击方法和脉冲电流处 理方法可以结合应用，使Ti-6A1-4V合金力学性能有显著的提高；先利用激光器脉冲能量 冲击方法改变Ti-6A1-4V合金的晶粒结构，再进行脉冲电流处理改变，利用脉冲电流的焦 耳热效应，电致塑性效应、磁压缩效应等完成Ti-6A1-4V合金的脉冲电流处理过程，并改 变材料的显微组织类型，获得全新的力学性质，使其性能有显著的提高；采用真空退火方 法，有效降低了处理后Ti-6A1-4V合金试样的含氧量，使Ti-6A1-4V合金新型复合组织结构 达到了工业应用水平。
【附图说明】
[0022] 图1为本发明所述的Ti-6A1-4V合金新型复合显微组织的光电脉冲电处理装置示 意图。
[0023] 图2为本发明所述的Ti-6A1_4V合金拉伸试样结构图。
[0024] 图3为本发明所述的经脉冲电流处理后零件X射线衍射分析相谱图。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文 字能够据以实施。
[0026] 如图1所示，Ti-6A1-4V合金新型复合显微组织的脉冲电流处理装置示意图包括： 脉冲激光器110、全反射棱镜120、高斯光转平顶光透镜130、扩束镜140电源控制电路150、 触发电路160、正电极导体171、负电极导体172、开关180、充电电路190、电容组200、示波 器210和电波探针220组成。
[0027] 其中，脉冲激光器110,选用脉冲激光器因其具有较大的输出功率，且具很窄脉冲 宽度和时间间隔，峰值功率高，重复频率范围宽，利于根据试验需求进行相应的参数调整， 结构更加紧凑，可靠性高。
[0028] 全反射棱镜120,采用45°等腰直角棱镜，斜边镀金属反射膜，其具有比反射镜更 高的反射率，且损耗小，放置在脉冲激光器输出端口前，用于改变脉冲激光器110所发出激 光的传播方向，将水平方向入射的光线，垂直方向出射。
[0029] 高斯光转平顶光透镜130,其设置在全反射棱镜120下方，其为非球面透镜，可以 将激光器发出的高斯光束，转变为平顶光，使脉冲激光能量均匀分布。
[0030] 扩束镜140,其设置在高斯光转平顶光透镜130后，可以经脉冲激光光束进行扩 束，可以使Ti-6A1-4V合金拉伸试样，均匀接收到脉冲激光能量，倍率可根据试样的大小进 行选择，在不影响扩束后激光能量大小的前提下，我们选择扩束镜的倍率为2倍~5倍。
[0031] 电源控制电路150的输出端连接触发电路160的信号输入端，触发电路的输出端 口 161连接开关180,输出端口 162连接正电极导体171，负电极导体172连接电波探针220 的输入端，电波探针220的输出端连接电容组200,其中电容组200接地，电波探针220连接 示波器210,充电电路190连接电容组200。
[0032] 如图2所示为Ti-6A1-4V合金拉伸试样零件结构图，选取Ti-6A1-4V合金乳制板 材，其化学成分的质量分数为 Al, 6. 08 %、V，5. 03 %、Fe，0· 35 %、C，0· 09 %、N，0· 60 %、H， 〇.〇18%、〇,〇.16%，11是由0-11以€1-111〇%组成。11-6厶1-4￥合金拉伸试样由厚度为 Imm~6mm的Ti-6A1_4V合金试样拉伸制成，零件的各部分尺寸大小关系为a > g，b > d， 其中a的尺寸大小为4mm~12mm, g尺寸大小为2mm~8mm。r大小为5mm~15mm,零件总 长度为20mm~50mm，基于试样截面的不同，试样两端A部分与E部分的电流密度明显的少 于中间部分（C部分）。也就是说脉冲电流加热处理阶段从A部分和E通过B部分和D部分 到C部分存在一个温度梯度。鉴于试样两端可以很好的连接到巨大的Cu电极上，在快速加 热阶段A部分温度的上升的非常小。因为通过两个冷却末端的传导冷却，脉冲电流处理后， B、C部分被快速冷却，就像淬火一样。
[0033] 实施以Ti-6A1_4V合金新型复合显微组织的光电脉冲电流处理为例做进一步的 说明
[0034] Ti-6A1_4V合金新型复合显微组织的光电脉冲复合处理方法，其特征在于，
[0035] 步骤一：将Ti-6A1_4V合金片状零件进行试样拉伸，对其进行机械抛光，等离子束 变薄处理；
[0036] 步骤二：脉冲激光器110经全反射棱镜120进行反射，改变光线传播方向，再经高 斯转平顶透镜130,将高斯光转换为平顶光，再经扩束镜140进行扩束，输出的扩束后光线 对Ti-6A1-4V合金试样进行能量冲击，使Ti-6A1-4V合金试样B、C、D三部分均匀接收光线， 脉冲激光器工艺参数为，脉冲能量OJ~7J，脉冲宽度I. 5ns~3. 6ns，重复频率10HZ，脉冲 持续时间为3s~5s ;
[0037] 步骤三：将经激光冲击后Ti-6A1_4V合金零件两端分别与脉冲电源的正极171和 负极172相连，通过电容组200放电来获得脉冲电流，；工艺参数：电流为20000A~26000A， 脉宽为50 μ s~120 μ s，脉冲持续时间为200 μ s~800 μ s ;
[0038] 步骤四：将电脉冲处理后Ti-6A1-4V合金零件放置于真空退火箱内进行冷却，工 艺参数真空度10 3~10 4Pa，温度500±10°C，时间0. 6h~I. 2h，获得Ti-6A1-4V合金的新 型复合显微结构。