摘要
钛合金由于比强度高，耐蚀性能优良，广泛应用于航空航天、船舶、医疗等领域。然而钛合金是一类典型的难加工材料，实现钛合金表面的高效精密加工，是目前传统加工技术面临的难题。常用的激光抛光会产生重熔层和热影响区，单一电化学抛光又存在表面容易被腐蚀、氧化、需低粗糙度的表面，本文提出了激光复合电化学的方法对钛合金进行抛光，利用激光的无接触、高能量、可选择性区域工作等特点将钛合金置于氩气气氛保护箱中进行激光粗抛光，先降低钛合金表面粗糙度，再利用电化学的可抛光复杂曲面、无附加应力层等特点进行精抛光，最终得到低纳米级别粗糙度、光亮平整的钛合金表面。 首先，以TC4钛合金为研究对象，采用理论分析与实验验证相结合的方法，研究了连续激光抛光对后续电化学抛光表面粗糙度的影响规律和机制分析，研究结果表明：500W连续激光在激光功率300W、扫描速度800mm/s、线间距0.02mm时，获得的最低表面粗糙度为500nm，复合电化学获得的最低表面粗糙度为124nm；连续激光抛光存在表面深熔融和表面浅熔融两种抛光机制，形成重熔层和热影响区，表面的大凸起被熔化流入“谷”中，形成平滑的凸起，复合电化学抛光优先溶解凸起，去除部分厚度的重熔层，待溶解至与凹处一致的轮廓高度，重熔层被全部或部分去除、热影响区开始被去除，激光抛光诱导的表面凸起阶梯状结构和亚表面马氏体重熔层的产生提高了钛合金表面电极响应速度，促进电化学抛光速率提升。 然后，在连续激光复合电化学抛光的基础上，研究了脉冲激光不同能量密度对电化学抛光表面形貌的影响，并分析了其抛光机制。研究结果表明：200W脉冲激光抛光在中能量密度2.12mJ/cm2时获得最低表面粗糙度112nm，复合电化学抛光获得最低表面粗糙度为23nm；脉冲激光抛光主要是表面熔凝和汽化两种抛光机制，在较低的能量密度时，表面为熔凝状凸起，产生极薄的重熔层和热影响区，在较高的能量密度时，连续脉冲将基体打出一个个凹坑，表面物质被立刻汽化蒸发，不产生重熔层，此时，脉冲激光诱导生成的不规则多边形表面晶界和α''马氏体热影响区组织也会提高钛合金表面的电极响应，凸起处的电流密度大，离子迁移加快，优先溶解，加快电化学抛光对表面晶粒的腐蚀，促进表面钝化膜的生成和溶解。从粗糙度方面，200W脉冲激光复合电化学抛光钛合金得到表面粗糙度小于500W连续激光复合电化学抛光钛合金的表面粗糙度，200W脉冲激光复合电化学更适合抛光钛合金。 最后，通过极化曲线、电化学阻抗谱和硬度计测试分析了耐蚀性及表面硬度。在耐蚀性方面，由于连续激光复合电化学抛光表面生成二氧化钛、氧化铝等金属氧化物膜和亚表面马氏体重熔层的不完全去除，导致连续激光复合电化学抛光的耐蚀性优于脉冲激光复合电化学抛光耐蚀性；在硬度方面，连续/脉冲激光复合电化学抛光钛合金都有较好的表面粗糙度，但连续激光复合电化学抛光亚表面存在重熔层和热影响区，脉冲激光复合电化学抛光完全去除了重熔层或热影响区，所以连续激光复合电化学抛光的硬度略大于脉冲激光复合电化学抛光的硬度，两者的耐蚀性和硬度都优于基体。
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