CN113897664B - 一种激光复合电化学抛光钛合金的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光复合电化学抛光钛合金的装置及方法，将基材用砂纸进行表面打磨，然后超声清洗，自然风干，得到待抛光试样，以待抛光试样为阳极，不锈钢为阴极，将阳极和阴极浸没于电解液中，开启电解抛光腐蚀仪、激光器、磁力搅拌器，使激光和电解同步进行，对试样同步进行抛光；本发明可实现钛合金表面纳米级别的抛光。

Description

一种激光复合电化学抛光钛合金的装置及方法
技术领域
本发明公开了一种激光复合电化学抛光钛合金的装置及方法，涉及激光抛光和电解抛光两种技术，属于精密表面处理技术领域。
背景技术
Ti6Al4V由于其优异的生物相容性和良好的综合力学性能被成功引入生物材料领域，是生物医疗器械产品中用量最大的钛合金。增材制造的钛合金在医疗器械、植入物等方面有较大的需求，但是增材制造的钛合金表面粗糙度大，光泽度、耐腐蚀性能等不能满足植入物的要求。抛光技术作为精密表面加工技术，具有效率高、处理试样表面光滑、能够保持材料原有性能等特点。
电解抛光以金属工件为阳极，根据阳极工件的不同，选择不同的电解液进行电解，根据材料表面的溶解和去除达到降低粗糙度的目的，电解抛光对抛光材料的原始表面粗糙度有要求，是一种表面精加工技术；而激光抛光对材料原始表面粗糙度没有要求，激光在辐射过程中的热量输入导致基材表面熔化，熔化液体在表面张力和重力作用下流动并填充凹洼部位，使表面趋于同一平面，激光束离开后，表面温度迅速下降，液态熔体快速凝固，得到较为平滑的表面。
以上两种技术都能用于增材制造钛合金的抛光，激光抛光由于材料表面温度梯度和热应力大，对脆性材料抛光时容易产生裂纹，电解抛光能有效去除裂纹；电解抛光要求较小的原始粗糙度，激光抛光可以进行粗抛。为此，本发明基于这两种技术提出了一种激光复合电化学抛光钛合金的装置及方法。
发明内容
本发明提供了一种激光复合电化学抛光钛合金的装置及方法，可实现钛合金表面纳米级别的抛光。
本发明的技术方案如下：
一种激光复合电化学抛光钛合金的装置，包括：电解抛光腐蚀仪、激光器、电解抛光槽、磁力搅拌器、阳极夹具、阴极夹具；
所述电解抛光腐蚀仪提供抛光电源，与阳极夹具、阴极夹具连接；
所述阴极夹具用于固定阴极，使阴极竖直放置；所述阳极夹具用于固定阳极，使阳极水平放置；阴极、阳极均悬空设于电解抛光槽内；
所述电解抛光槽放置于磁力搅拌器上面，电解抛光槽中放有磁极转子，电解抛光槽中的电解液没过阴极和阳极；
所述激光器设于激光器可移动支架上，以便调节激光焦距，激光垂直作用于水平放置的阳极表面。
利用本发明所述装置进行激光复合电化学抛光钛合金的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)将基材依次用240#、400#、800#的砂纸进行表面打磨，然后超声清洗，自然风干，得到待抛光试样备用；
所述基材例如为TC4钛合金；
(2)以待抛光试样为阳极，不锈钢为阴极，将阳极和阴极浸没于电解液中，开启电解抛光腐蚀仪、激光器、磁力搅拌器，使激光和电解同步进行，对试样同步进行抛光；
所述不锈钢材料为316L，优选与阳极试样面积比为1：1；阳极试样水平放置于电解液中，阴极竖直放置于电解液中，阳极试样底部与阴极底部高度保持一致，水平间距为1mm，阴阳极在电解液中L状平行；
所述电解液的组成为：高氯酸50～100g/L、尿素8g/L、葡萄糖8g/L，溶剂为甲醇；甲醇中的羟基能起到缓释作用，尿素中的胺基能达到整平试样表面的作用，葡萄糖能达到光亮试样表面的效果，把这些添加剂加入抛光液进行作用的机理较为复杂，且其功能也不是单一的，不同的添加剂相互混合使用会得到不同的效果；
所述电解抛光腐蚀仪电解抛光电压为10～30V，时间为10～30s，阳极接电源正极，阴极接电源负极；
所述激光器为1500W振镜激光器，对试样进行粗抛，降低表面粗糙度，低粗糙度表面能够使电解液中均匀放电，电解抛光效果更好；激光抛光过程中，光斑垂直照射到试样表面，激光器焦距为517mm，激光功率为300～800W，扫描速度为400～1500mm/s，线间距为0.01～0.1mm，扫描方式为单向扫描。
相比于现有技术，本发明的有益效果在于：
(1)非接触式抛光：激光抛光和电解抛光都为非接触式抛光，接触式抛光在样品上施加了外力，样品在外力下容易产生裂纹。而非接触式激光抛光则不会对样品施加任何压力。可解决超硬、超软、脆性等材料的抛光问题。
(2)激光抛光和电解抛光皆不受工件形状、尺寸约束，激光抛光能选择性区域抛光，电解抛光能有效去除应力。
(3)钛合金在单独电解抛光和激光抛光时易被氧化，但在溶液中同时进行激光复合电解抛光能有效避免这个问题。
(4)通过激光复合电解抛光的样品，表面粗糙度下降，光泽度提高。
附图说明
图1激光复合电解抛光TC4钛合金装置示意图；
图2激光耦合进电解抛光局部放大图；
其中，1-电解抛光腐蚀仪，2-激光器，3-激光器可移动支架，4-电解抛光槽，5-磁力搅拌器，6-阳极夹具，7-阴极夹具，8-激光束，9-磁极转子。
图3激光复合电解抛光的TC4钛合金表面同基材、经激光抛光后未经电解抛光的比较。
具体实施方式
下面结合附图通过具体实施例进一步描述本发明，但本发明的保护范围并不仅限于此。
以下实施例中，激光复合电化学抛光钛合金的装置如图1-2所示，包括：电解抛光腐蚀仪1、激光器2、电解抛光槽4、磁力搅拌器5、阳极夹具6、阴极夹具7；
所述电解抛光腐蚀仪1提供抛光电源，与阳极夹具6、阴极夹具7连接；
所述阴极夹具7用于固定阴极，使阴极竖直放置；所述阳极夹具6用于固定阳极，使阳极水平放置；阴极、阳极均悬空设于电解抛光槽4内；
所述电解抛光槽4放置于磁力搅拌器5上面，电解抛光槽中放有磁极转子9，电解抛光槽4中的电解液没过阴极和阳极；
所述激光器2设于激光器可移动支架3上，以便调节激光焦距，激光垂直作用于水平放置的阳极表面。
实施例1
(1)试样预处理：TC4钛合金基材厚度为2mm，经线切割加工成边长为2cm的矩形，用240#、400#、800#的砂纸进行表面打磨，并用超声波在酒精溶液中清洗表面20min后，自然风干。
(2)用白光干涉仪测试样表面的粗糙度Sa＝640nm。
(3)激光抛光工艺参数设置：设置激光功率为800w；扫描速度为400mm/s，线间距为0.02mm，无离焦。
(4)电解抛光工艺参数设置：10％的高氯酸甲醇电解液，以试样做阳极，不锈钢做阴极，阴阳极面积比例为1：1，电极底部保持平行且间隙为1mm，抛光电压为20V，抛光时间为15s，室温下进行。
(5)将经激光复合电化学抛光处理后的钛合金试样用无水乙醇超声清洗5min后取出，吹干，观察试样表面。
(6)用白光干涉仪测试样表面的粗糙度Sa＝64nm。
实施例2
(1)预处理及激光抛光参数设置参照实施例1中(1)-(3)。
(2)电解抛光工艺参数设置：5％的高氯酸甲醇电解液中进行，以试样做阳极，不锈钢做阴极，阴阳极面积比例为1：1，电极底部保持平行且间隙为1mm，抛光电压为20V，抛光时间为20s，室温下进行。
(3)将经激光复合电化学抛光处理后的钛合金试样用无水乙醇超声清洗5min后取出，吹干，观察试样表面，用白光干涉仪测得试样表面的粗糙度Sa＝123nm。
实施例3
(1)预处理及激光抛光参数设置参照实施例1中(1)-(3)。
(2)电解抛光工艺参数设置：10％的高氯酸甲醇电解液中进行电解抛光，以试样做阳极，不锈钢做阴极，阴阳极面积比例为1：1，电极底部保持平行且间隙为1mm，抛光电压为20V，抛光时间为20s，室温下进行。
(3)将经激光复合电化学抛光处理后的钛合金试样用无水乙醇超声清洗5min后取出，吹干，观察试样表面，用白光干涉仪测得试样表面的粗糙度Sa＝78nm。
对激光复合电解抛光的TC4钛合金表面进行粗糙度测量，并进行光学显微镜成像拍摄，同预处理基材和经激光抛光后未经电解抛光相比较(如图3)。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员在本发明的精神和原则范围内做出的各种等同变形或修改，均在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种利用激光复合电化学抛光钛合金的装置进行激光复合电化学抛光钛合金的方法，其特征在于，所述装置包括：电解抛光腐蚀仪、激光器、电解抛光槽、磁力搅拌器、阳极夹具、阴极夹具；
所述电解抛光腐蚀仪提供抛光电源，与阳极夹具、阴极夹具连接；
所述阴极夹具用于固定阴极，使阴极竖直放置；所述阳极夹具用于固定阳极，使阳极水平放置；阴极、阳极均悬空设于电解抛光槽内；
所述电解抛光槽放置于磁力搅拌器上面，电解抛光槽中放有磁极转子，电解抛光槽中的电解液没过阴极和阳极；
所述激光器设于激光器可移动支架上，激光垂直作用于水平放置的阳极表面；
所述方法包括如下步骤：
（1）将基材依次用240#、400#、800#的砂纸进行表面打磨，然后超声清洗，自然风干，得到待抛光试样备用；
（2）以待抛光试样为阳极，不锈钢为阴极，将阳极和阴极浸没于电解液中，开启电解抛光腐蚀仪、激光器、磁力搅拌器，使激光和电解同步进行，对试样同步进行抛光；
所述电解液的组成为：高氯酸50~100g/L、尿素8g/L、葡萄糖8g/L，溶剂为甲醇；
所述电解抛光腐蚀仪电解抛光电压为10~30V，时间为10~30s，阳极接电源正极，阴极接电源负极；
所述激光器为1500W振镜激光器，激光抛光过程中，光斑垂直照射到试样表面，激光器焦距为517mm，激光功率为300~800W，扫描速度为400~1500mm/s，线间距为0.01~0.1mm，扫描方式为单向扫描。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，步骤（1）中，所述基材为TC4钛合金。
3.如权利要求1所述方法，其特征在于，步骤（2）中，所述不锈钢材料为316L。
4.如权利要求1所述方法，其特征在于，步骤（2）中，阴极与阳极面积比为1：1；阳极水平放置于电解液中，阴极竖直放置于电解液中，阳极底部与阴极底部高度保持一致，水平间距为1mm，阴阳极在电解液中L状平行。
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