利用傅里叶红外光谱仪在温度范围为573~953 K、波长范围为3~20 μm下测量Ti-6Al-4V合金在0°~84°下的方向光谱发射率,并系统研究了方向变化对其光谱发射率的影响。实验结果表明,在波长小于10.3 μm的短波处,Ti-6Al-4V合金发射率在0°~84°下随角度变化呈现出类似绝缘体的特性,而在大于10.3 μm的长波处,其变化呈现出类似金属的特性。该合金的光谱发射率在573~773 K范围内随温度的升高而增大,并且在0°~70°与80°~84°内随波长变化趋势相反。当Ti-6Al-4V合金氧化后,其发射率在60°时达到最大值且非金属特性在长波处随氧化时间增加越来越明显。由此可见,在不同测量角度下,温度、波长和氧化程度等因素对Ti-6Al-4V发射率的影响很大,该研究可以丰富Ti-6Al-4V合金的方向光谱发射率数据库,为辐射测温技术提供数据支持。

针对Ti-6Al-4V合金植入体存在的应力屏蔽问题,采用选区激光熔化技术成形了不同孔径和孔隙率的多孔Ti-6Al-4V合金结构,对样品的相对密度、成形精度、微观组织、压缩性能和弹性模量等进行表征。结果表明,原始打印态多孔Ti-6Al-4V合金结构的显微组织为细针状α'马氏体组织;不同相对密度的多孔Ti-6Al-4V合金结构,其相对密度从0.420升高到0.548时,弹性模量从15.1 GPa升高到25.7 GPa,抗压强度也从223 MPa升高到了352 MPa,且弹性模量、抗压强度随相对密度变化的关系满足Gibson-Ashby模型。此外,多孔Ti-6Al-4V合金压缩断裂发生在支杆连接处,断口与水平方向约成45°夹角,断裂方式为脆性断裂。

Ti-6Al-4V合金具有强度高、抗蚀性优异、生物相容性好等优点, 常用于制造医用多孔的植入体材料, 但对多孔材料结构的成型工艺有一定的约束。基于选区激光熔化成型技术(Selective Laser Melting, SLM), 结合自行设计的拓扑优化多孔网格结构, 按照拓扑优化的结果重新建模成单元结构, 进行了3组特殊结构(螺旋结构、拱形桥结构、薄壁件与小孔)的制造实验, 并且分析对比了热处理前后SLM制造的Ti-6Al-4V合金的显微组织和拉伸性能。研究结果表明, SLM成型的三种螺旋结构中, 除30°螺旋结构以外, 其他两种都能够完整成形, 满足拓扑单元结构成形角度(≥45°)的制造, 30°螺旋结构通过在迎向刮刀锐角面下加少量支撑也能成形; 拱形桥实验中, 能够完整成型不发生塌陷的最大拱桥尺寸为φ=8 mm, 推导出最大的可悬垂长度为0.70 mm, 满足拓扑单元结构最大拱桥尺寸(8 mm)要求; 壁厚为0.10 mm的薄壁结构由于激光光斑尺寸的约束, 成形尺寸增大了0.05 mm, 可能会造成1 mm边长尺寸成单元拓扑结构孔隙率的减小; 小孔实验成形最小孔径为0.10 mm, 满足多孔拓扑优化结构最小孔制作要求; SLM制造直接态和热处理态Ti-6Al-4V合金试样基本的力学性能均能达到ISO制定力学性能标准, 且超过铸造态的水平, 但延展性能仍不及锻件。热处理态比直接态的延展性好, 直接态组织为针状的α′相马氏体组织; 当热处理温度达到750 ℃时, α′相会开始发生扩散分解, 从而在相界面析出白色的β相小颗粒。

采用双侧同步填丝激光焊接的方法获得Ti-6Al-4V 合金T 型接头，研究激光焊接参数对焊接缺陷如未熔合、气孔等的影响。试验结果表明：未熔合缺陷的产生由激光功率、焊接速度、激光入射角度及入射位置等参数所决定，足够大的焊接热输入(较高的激光功率，较小的焊接速度)，较小的激光入射角度以及较高的激光辐照位置可以避免出现未熔合缺陷。激光功率一定时，出现未熔合缺陷的焊缝在焊接过程中，熔池上方等离子体/金属蒸气喷发量多于无此类缺陷的焊缝。不同焊接参数下T 型接头焊缝中的气孔缺陷具有典型的小孔型气孔特征，激光功率一定的情况下，较高的焊接速度有利于减少此类气孔。

采用激光立体成形(LSF)技术制备了Ti-6Al-4V平面应变断裂韧度(KIC)试样。沿沉积高度方向,沉积态组织呈现典型的β晶粒外延生长特性,β晶粒的平均宽度约为100-400 μm,长度可达若干厘米,β晶粒内由细密的针状α及α+β板条组成。Ti-6Al-4V激光立体成形沉积态试样的KIC≥52.6 MPa·m^1/2,达到锻件标准要求,不过,由于沉积态的组织特征,KIC具有典型的各向异性,与拉伸性能所表现的各向异性一致。β晶内细密α+β编织的魏氏组织的抗裂纹扩展能力较强,使得裂纹扩展对β晶界非常敏感。当裂纹扩展面垂直于β晶界时,KIC最高;在裂纹沿β晶界扩展的情况下,单位面积内的晶界长度越长越曲折,则KIC越高。裂纹扩展方向与β晶界的夹角(0-90°)越大,β晶粒越细小,裂纹扩展越困难。

利用单束飞秒激光直接烧蚀技术在钛合金Ti-6Al-4V表面上大面积制备一致的微纳米结构,实现了金属表面光学性质的极大改变。在不同加工参数下获得了3类不同的特征表面结构,如亚微米波纹结构、波纹覆盖的微凸起结构以及多孔结构,并且这3类表面结构特征分别对应着不同的视觉效果,使得钛合金表面分别展现出“彩色”、“蓝色”和“黑色”。初步探讨了不同表面结构特征的形成原因,以及该结构在改变金属表面光学性质中的作用。