CN105177479B - Ti‑6Al‑4V合金复合显微组织的光电脉冲复合处理方法 - Google Patents
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Abstract
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，从而显著提高了Ti‑6Al‑4V合金力学性能，其首先利用激光器脉冲能量冲击方法改变Ti‑6Al‑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‑6Al‑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，并采用真空退火方法，有效降低了处理后Ti‑6Al‑4V合金试样的含氧量，使Ti‑6Al‑4V合金复合组织结构达到了工业应用水平，对材料特种加工、材料科学都具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种Ti-6Al-4V合金复合显微组织获得方法，尤其涉及一种Ti-6Al-4V合金复合显微组织的光电脉冲复合处理方法。
背景技术
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-6Al-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-6Al-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
本发明设计开发了一种Ti-6Al-4V合金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。
本发明的技术方案为：
Ti-6Al-4V合金复合显微组织的光电脉冲复合处理方法，其特征在于，
步骤一：将Ti-6Al-4V合金片状零件进行试样拉伸；
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-6Al-4V合金试样进行能量冲击；
脉冲激光器工艺参数为，脉冲能量0J～7J，脉冲宽度1.5ns～3.6ns，重复频率10Hz,脉冲持续时间为3s～5s；
步骤三：将经激光冲击后Ti-6Al-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50μs～120μs，脉冲持续时间为200μs～800μs；
步骤四：将电脉冲处理后Ti-6Al-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℃，时间0.6h～1.2h,获得Ti-6Al-4V合金的复合显微结构。
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。
优选的是，所述扩束镜倍率为2倍～5倍。
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。
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100μs。
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400μs～600μs。
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500μs。
优选的是，所述的真空退火时间为0.8h。
优选的是，所述的Ti-6Al-4V合金拉伸试样中的Ti由β-Ti和α-Ti 10％质量分数组成。
优选的是，所述的Ti-6Al-4V合金拉伸试样零件厚度为1mm～6mm。
本发明的有益效果
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-6Al-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-6Al-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-6Al-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-6Al-4V合金试样的含氧量，使Ti-6Al-4V合金复合组织结构达到了工业应用水平。
附图说明
图1为本发明所述的Ti-6Al-4V合金复合显微组织的光电脉冲电处理装置示意图。
图2为本发明所述的Ti-6Al-4V合金拉伸试样结构图。
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
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。
如图1所示，Ti-6Al-4V合金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。
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。
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。
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。
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-6Al-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。
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。
如图2所示，为Ti-6Al-4V合金拉伸试样零件结构图，选取Ti-6Al-4V合金轧制板材，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，0.018％、O，0.16％，Ti是由β-Ti以α-Ti 10％组成。Ti-6Al-4V合金拉伸试样由厚度为1mm～6mm的Ti-6Al-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。
实施以Ti-6Al-4V合金复合显微组织的光电脉冲电流处理为例做进一步的说明
Ti-6Al-4V合金复合显微组织的光电脉冲复合处理方法，包括：
步骤一：将Ti-6Al-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；
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-6Al-4V合金试样进行能量冲击，使Ti-6Al-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0J～7J，脉冲宽度1.5ns～3.6ns，重复频率10Hz,脉冲持续时间为3s～5s；
步骤三：将经激光冲击后Ti-6Al-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50μs～120μs，脉冲持续时间为200μs～800μs；
步骤四：将电脉冲处理后Ti-6Al-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℃，时间0.6h～1.2h,获得Ti-6Al-4V合金的复合显微结构。
在另一实施例中，重复上述步骤一～步骤四，不同的是，工艺参数：脉冲激光器110脉冲能量为6.8J，通过电容组200放电来获得脉冲电流，脉冲电流峰值为20000A～26000A。
在另一实施例中，重复上述步骤一～步骤四，不同的是，工艺参数：脉冲激光器110脉冲宽度为3.2ns,通过电容组200放电来获得脉冲电流，脉冲电流脉宽为100μs。
在另一实施例中，重复上述步骤一～步骤四，不同的是，工艺参数：脉冲激光器110脉冲持续时间为4s～5s，通过电容组200放电来获得脉冲电流，脉冲持续时间为400μs～600μs。
在另一实施例中，重复上述步骤一～步骤四，不同的是，工艺参数：脉冲激光器110脉冲持续时间为4.5s，通过电容组200放电来获得脉冲电流，脉冲持续时间为500μs。
用以下实验证明本发明的有益效果
实施例1：Ti-6Al-4V合金复合显微组织的光电脉冲电流处理方法按照以下步骤进行，
步骤一：将厚度为1.2mm的Ti-6Al-4V合金零件采用线切割机沿压制方向截取拉伸状试样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，0.018％、O，0.16％，Ti是由β-Ti以α-Ti 10％组成。拉伸试样零件尺寸为，a＝10mm，b＝8mm,d＝6mm,r＝10mm，L＝35mm,进行机械抛光和等离子束变薄处理。
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-6Al-4V合金试样进行能量冲击，使Ti-6Al-4V合金试样B、C、D三部分均匀接收光线，工艺参数为，脉冲能量6.8J，脉冲宽度1.5ns，重复频率10Hz，脉冲持续时间为3s；
步骤三：将经激光冲击后Ti-6Al-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，脉宽为50μs，脉冲持续时间为200μs；
步骤五：将电脉冲处理后Ti-6Al-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℃，时间0.8h,获得Ti-6Al-4V合金的复合显微结构。
采用MTS电伺服测试系统，在室温下测定合金的力学性能，原始试样，即A和E部分：3.25±0.13GPa，B、D部分：4.08±0.10GPa，与A部分相比增加了25.5％，C部分：3.77±0.14GPa，与A部分相比提高了16％。
实施例2，步骤一：将厚度为1.2mm的Ti-6Al-4V合金零件采用线切割机沿压制方向截取拉伸状试样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，0.018％、O，0.16％，Ti是由β-Ti以α-Ti 10％组成。拉伸试样零件尺寸为，a＝10mm，b＝8mm,d＝6mm,r＝10mm，L＝35mm,进行机械抛光和等离子束变薄处理。
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-6Al-4V合金试样进行能量冲击，使Ti-6Al-4V合金试样B、C、D三部分均匀接收光线，工艺参数为，脉冲能量6.8J，脉冲宽度3.6ns，重复频率10Hz，脉冲持续时间为5s；
步骤三：将经激光冲击后Ti-6Al-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26000A，脉宽为120μs，脉冲持续时间为800μs；
步骤四：将电脉冲处理后Ti-6Al-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℃，时间1.2h,获得Ti-6Al-4V 合金的复合显微结构。
采用MTS电伺服测试系统，在室温下测定合金的力学性能，原始试样，即A和E部分：3.25±0.13GPa，B、D部分：4.19±0.10GPa，与A部分相比增加了28.9％，C部分：3.84±0.14GPa，与A部分相比提高了18％。
实施例3，步骤一：将厚度为1.2mm的Ti-6Al-4V合金零件采用线切割机沿压制方向截取拉伸状试样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，0.018％、O，0.16％，Ti是由β-Ti以α-Ti 10％组成。拉伸试样零件尺寸为，a＝10mm，b＝8mm，d＝6mm，r＝10mm，L＝35mm，进行机械抛光和等离子束变薄处理。
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-6Al-4V合金试样进行能量冲击，使Ti-6Al-4V合金试样B、C、D三部分均匀接收光线，工艺参数为，脉冲能量6.8J，脉冲宽度3.2ns，重复频率10Hz,脉冲持续时间为4s；
步骤三：将经激光冲击后Ti-6Al-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26000A，脉宽为100μs，脉冲持续时间为400μs；
步骤四：将电脉冲处理后Ti-6Al-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℃，时间0.8h,获得Ti-6Al-4V合金的复合显微结构。
采用MTS电伺服测试系统，在室温下测定合金的力学性能，原始试样，即A部分：3.25±0.13GPa，B、D部分：4.26±0.10GPa，与A部分相比增加了31.1％，C部分：3.84±0.14GPa，与A部分相比提高了18％。
实施例4，步骤一：将厚度为1.2mm的Ti-6Al-4V合金零件采用线切割机沿压制方向截取拉伸状试样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，0.018％、O，0.16％，Ti是由β-Ti以α-Ti 10％组成。拉伸试样零件尺寸为，a＝10mm，b＝8mm，d＝6mm，r＝10mm，L＝35mm,进行机械抛光和等离子束变薄处理。
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-6Al-4V合金试样进行能量冲击，使Ti-6Al-4V合金试样B、C、D三部分均匀接收光线，工艺参数为，脉冲能量6.8J，脉冲宽度3.2ns，重复频率10Hz，脉冲持续时间为5s；
步骤三：将经激光冲击后Ti-6Al-4V合金零件两端分别与脉冲电源的正极161和负极162相连，通过电容组200放电来获得脉冲电流，工艺参数：电流为26000A，脉宽为100μs，脉冲持续时间为600μs；
步骤四：将电脉冲处理后Ti-6Al-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℃，时间0.8h,获得Ti-6Al-4V合金的复合显微结构。
采用MTS电伺服测试系统，在室温下测定合金的力学性能，原始试样，即A部分：3.25±0.13GPa，B、D部分：4.31±0.10GPa，与A部分相比增加了32.6％，C部分：3.84±0.14GPa，与A部分相比提高了18％。
实施例5，步骤一：将厚度为1.2mm的Ti-6Al-4V合金零件采用线切割机沿压制方向截取拉伸状试样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，0.018％、O，0.16％，Ti是由β-Ti以α-Ti 10％组成。拉伸试样零件尺寸为，a＝10mm，b＝8mm，d＝6mm，r＝10mm，L＝35mm,进行机械抛光和等离子束变薄处理；
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-6Al-4V合金试样进行能量冲击，使Ti-6Al-4V合金试样B、C、D三部分均匀接收光线，工艺参数为，脉冲能量6.8J，脉冲宽度3.2ns，重复频率10Hz,脉冲持续时间为4.5s；
步骤三：将经激光冲击后Ti-6Al-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26000A，脉宽为100μs，脉冲持续时间为500μs；
步骤四：将电脉冲处理后Ti-6Al-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℃，时间0.8h,获得Ti-6Al-4V合金的复合显微结构。
采用MTS电伺服测试系统，在室温下测定合金的力学性能，原始试样，即A部分：3.25±0.13GPa，B、D部分：4.36±0.10GPa，与A部分相比增加了34.2％，C部分：3.84±0.14GPa，与A部分相比提高了18％，此时合金的综合力学性能最优。
实施例6，步骤一：将厚度为1.2mm的Ti-6Al-4V合金零件采用线切割机沿压制方向截取拉伸状试样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，0.018％、O，0.16％，Ti是由β-Ti以α-Ti 10％组成。拉伸试样零件尺寸为，a＝10mm，b＝8mm，d＝6mm，r＝10mm，L＝35mm，进行机械抛光和等离子束变薄处理。
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-6Al-4V合金试样进行能量冲击，使Ti-6Al-4V合金试样B、C、D三部分均匀接收光线，工艺参数为，脉冲能量6.8J，脉冲宽度3.2ns，重复频率10Hz,脉冲持续时间为4.5s；
步骤三：将经激光冲击后Ti-6Al-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26000A，脉宽为100μs，脉冲持续时间为500μs；
步骤四：将电脉冲处理后Ti-6Al-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℃，时间1.2h，获得Ti-6Al-4V合金的复合显微结构。
采用MTS电伺服测试系统，在室温下测定合金的力学性能，原始试样，即A部分：3.25±0.13GPa，B、D部分：4.36±0.10GPa，与A部分相比增加了34.2％，C部分：3.84±0.14GPa，与A部分相比提高了18％。
实施例7，步骤一：将厚度为1.2mm的Ti-6Al-4V合金零件采用线切割机沿压制方向截取拉伸状试样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，0.018％、O，0.16％，Ti是由β-Ti以α-Ti 10％组成。拉伸试样零件尺寸为，a＝10mm，b＝8mm，d＝6mm，r＝10mm，L＝35mm，进行机械抛光和等离子束变薄处理。
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-6Al-4V合金试样进行能量冲击，使Ti-6Al-4V合金试样B、C、D三部分均匀接收光线，工艺参数为，脉冲能量6.8J，脉冲宽度3.2ns，重复频率10Hz，脉冲持续时间为4.5s；
步骤三：将经激光冲击后Ti-6Al-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26000A，脉宽为100μs，脉冲持续时间为500μs；
步骤四：将电脉冲处理后Ti-6Al-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℃，时间0.5h，获得Ti-6Al-4V合金的复合显微结构。
采用MTS电伺服测试系统，在室温下测定合金的力学性能，原始试样，即A部分：3.25±0.13GPa，B、D部分：4.03±0.10GPa，与A部分相比增加了24％，C部分：3.67±0.14GPa，与A部分相比提高了13％。
为说明本发明的效果，发明人提供比较试验如下：
比较例1，步骤一：将厚度为1.2mm的Ti-6Al-4V合金零件采用线切割机沿压制方向截取拉伸状试样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，0.018％、O，0.16％，Ti是由β-Ti以α-Ti 10％组成。拉伸试样零件尺寸为，a＝10mm，b＝8mm,d＝6mm,r＝10mm，L＝35mm,进行机械抛光和等离子束变薄处理。
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-6Al-4V合金试样进行能量冲击，使Ti-6Al-4V合金试样B、C、D三部分均匀接收光线，工艺参数为，脉冲能量6.8J，脉冲宽度3.2ns，重复频率10Hz,脉冲持续时间为4.5s；
步骤三：将激光脉冲处理后Ti-6Al-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℃，时间0.8h,获得Ti-6Al-4V合金的复合显微结构。
采用MTS电伺服测试系统，在室温下测定合金的力学性能，原始试样，即A部分：3.25±0.13GPa，B、D部分：3.64±0.10GPa，与A部分相比增加了 12％，C部分：3.31±0.14GPa，与A部分相比提高了8.1％。
比较例2，步骤一：将厚度为1.2mm的Ti-6Al-4V合金零件采用线切割机沿压制方向截取拉伸状试样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，0.018％、O，0.16％，Ti是由β-Ti以α-Ti 10％组成，拉伸试样零件尺寸为，a＝10mm，b＝8mm，d＝6mm，r＝10mm，L＝35mm，进行机械抛光和等离子束变薄处理。
步骤二：将Ti-6Al-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26000A，脉宽为100μs，脉冲持续时间为500μs；
步骤三：将电脉冲处理后Ti-6Al-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℃，时间0.8h，获得Ti-6Al-4V合金的复合显微结构。
采用MTS电伺服测试系统，在室温下测定合金的力学性能，原始试样，即A部分：3.25±0.13GPa，B、D部分：3.42±0.10GPa，与A部分相比增加了5.2％，C部分：3.26±0.14GPa，与A部分相比提高了0.4％。
比较例3，步骤一：将厚度为1.2mm的Ti-6Al-4V合金零件采用线切割机沿压制方向截取拉伸状试样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，0.018％、O，0.16％，Ti是由β-Ti以α-Ti 10％组成。拉伸试样零件尺寸为，a＝10mm，b＝8mm，d＝6mm，r＝10mm，L＝35mm,进行机械抛光和等离子束变薄处理。
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-6Al-4V合金试样进行能量冲击，使Ti-6Al-4V合金试样B、C、D三部分均匀接收光线，工艺参数为，脉冲能量6.8J，脉冲宽度3.2ns，重复频率10Hz，脉冲持续时间为4.5s；
步骤三：将经激光冲击后Ti-6Al-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26000A，脉宽为100μs，脉冲持续时间为500μs；
步骤四：为防止Ti-6Al-4V合金零件冷却过程中高温氧化，将其防止在 充有惰性气体的保护气氛箱内进行冷却，冷却时间为2h～2.5h。
采用MTS电伺服测试系统，在室温下测定合金的力学性能，原始试样，即A部分：3.25±0.13GPa，B、D部分：3.84±0.10GPa，与A部分相比增加了18.1％，C部分：3.64±0.14GPa，与A部分相比提高了12％。
比较例4，步骤一：将厚度为1.2mm的Ti-6Al-4V合金零件采用线切割机沿压制方向截取拉伸状试样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，0.018％、O，0.16％，Ti是由β-Ti以α-Ti 10％组成。拉伸试样零件尺寸为，a＝10mm，b＝8mm，d＝6mm，r＝10mm，L＝35mm,进行机械抛光和等离子束变薄处理。
步骤二：将Ti-6Al-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26000A，脉宽为100μs，脉冲持续时间为500μs；
步骤三：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经电脉冲处理后的Ti-6Al-4V合金试样进行能量冲击，使Ti-6Al-4V合金试样B、C、D三部分均匀接收光线，工艺参数为，脉冲能量6.8J，脉冲宽度3.2ns，重复频率10Hz,脉冲持续时间为4.5s；
步骤四：将经激光处理后的Ti-6Al-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℃，时间0.8h,获得Ti-6Al-4V合金的复合显微结构。
采用MTS电伺服测试系统，在室温下测定合金的力学性能，原始试样，即A部分：3.25±0.13GPa，B、D部分：3.43±0.10GPa，与A部分相比增加了5.5％，C部分：3.29±0.14GPa，与A部分相比提高了1.2％。
[表1]
从上表1能够看出，实施例5中由于采用先利用脉冲激光器对Ti-6Al-4V合金零件进行脉冲冲击再对Ti-6Al-4V合金零件进行进行脉冲电流处理的方法，同时采用真空退火箱进行冷却，并且激光脉冲能量6.8J，脉冲宽度3.2ns，重复频率10Hz，脉冲持续时间为4.5s，脉冲电流电流为26000A，脉宽为100μs，脉冲持续时间为500μs；
比较例1与实施例5相比B、D部分综合力学性能降低了12％，C部分综合力学性能降低了10％；
比较例2与实施例5相比B、D部分综合力学性能降低了29％，C部分综合力学性能降低了17.6％；
比较例3与实施例5相比B、D部分综合力学性能降低了16.1％，C部分综合力学性能降低了6％；
比较例4与实施例5相比B、D部分综合力学性能降低了28.7％，C部分综合力学性能降低了16.8％；
可见，本发明的Ti-6Al-4V合金复合显微组织的光电脉冲处理方法，首先采用激光脉冲能量冲击，然后用脉冲电流处理的方法，二者相结合方可大幅提高Ti-6Al-4V合金的综合力学性能。
如图3所示，其为经光电脉冲电流处理后实施例5零件X射线衍射分析相谱图，即为XRD图谱，用来分析无机化合物的结构，通过XRD可以知道物质中所含的元素，以及元素的化合价，还可以通过相关的计算，得出该物质的空间点阵。
A部分的XRD谱与样本一样，因此，我们把A部分作为原始样本。A部分由β-Ti以α-Ti(10％)组成，B部分在(220)β出现β-Ti，说明脉冲电流快速处理之后，β-Ti相的体积分数快速增加，大约为40％～50％。这就意味着从α-Ti到β-Ti发生了相转变，更多的β-Ti保留在了过渡区，C部分由α-Ti相组成，与对应的B、C部分相比，每个衍射峰的强度都发生了明显的变化。特别是(100)a出现的α-Ti相峰，削弱了α-Ti和β-Ti的重叠峰，也就是说经脉冲电流处理之后C部分在原始试样中α-Ti的择优取向完全改变。
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-6Al-4V合金力学性能有显著的提高；首先利用激光器脉冲能量冲击方法改变Ti-6Al-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-6Al-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-6Al-4V合金试样的含氧量，使Ti-6Al-4V合金复合组织结构达到了工业应用水平。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (10)
1.Ti-6Al-4V合金复合显微组织的光电脉冲复合处理方法，其特征在于，包括：
步骤一：将Ti-6Al-4V合金片状零件进行试样拉伸；
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，再经高斯光转平顶光透镜，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-6Al-4V合金试样进行能量冲击；
脉冲激光器工艺参数为，脉冲能量0J～7J，脉冲宽度1.5ns～3.6ns，重复频率10Hz，脉冲持续时间为3s～5s；
步骤三：将经激光冲击后Ti-6Al-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50μs～120μs，脉冲持续时间为200μs～800μs；
步骤四：将电脉冲处理后Ti-6Al-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℃，时间0.6h～1.2h，获得Ti-6Al-4V合金的复合显微结构。
2.根据权利要求1所述的Ti-6Al-4V合金复合显微组织的光电脉冲复合处理方法，其特征在于，所述的全反射棱镜为45°等腰直角棱镜，斜面镀金属反射膜。
3.根据权利要求1所述的Ti-6Al-4V合金复合显微组织的光电脉冲复合处理方法，其特征在于，所述扩束镜倍率为2倍～5倍。
4.根据权利要求1所述的Ti-6Al-4V合金复合显微组织的光电脉冲复合处理方法，其特征在于，所述的脉冲激光脉冲能量为6.8J，脉冲电流峰值为20000A～26000A。
5.根据权利要求1所述的Ti-6Al-4V合金复合显微组织的光电脉冲复合处理方法，其特征在于，所述的脉冲激光脉冲宽度为3.2ns,所述的脉冲电流脉宽为100μs。
6.根据权利要求1所述的Ti-6Al-4V合金复合显微组织的光电脉冲复合处理方法，其特征在于，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400μs～600μs。
7.根据权利要求6所述的Ti-6Al-4V合金复合显微组织的光电脉冲复合处理方法，其特征在于，脉冲激光器脉冲持续时间为4.5s，所述的脉冲持续时间为500μs。
8.根据权利要求1所述的Ti-6Al-4V合金复合显微组织的光电脉冲复合处理方法，其特征在于，所述的真空退火时间为0.8h。
9.根据权利要求1、4～7任一项所述的Ti-6Al-4V合金复合显微组织的光电脉冲复合处理方法，其特征在于，所述的Ti-6Al-4V合金拉伸试样中的Ti由β-Ti和α-Ti10％质量分数组成。
10.根据权利要求9所述的Ti-6Al-4V合金复合显微组织的光电脉冲复合处理方法，其特征在于，所述的Ti-6Al-4V合金拉伸试样零件厚度为1mm～6mm。
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