CN110026559A - 废弃钛合金切屑连续反复高压扭转变形循环再制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属材料加工技术领域，本发明的技术方案为：用于废弃钛合金切屑固化处理的连续反复高压扭转变形循环再制造方法，包括如下步骤：S1、钛合金切屑的回收预处理；S2、钛合金切屑包套封装；S3、连续反复高压扭转变形固化；S4、退火预处理。本发明将连续反复高压扭转变形技术用于循环再制造废弃钛合金切屑，成功地将该技术应用于回收、处理废弃钛合金切屑，是一种新的钛资源固态循环与再制造方法，能够高效、清洁地将废弃钛切屑转变为块体超细晶高强度钛合金带材。

Description

废弃钛合金切屑连续反复高压扭转变形循环再制造方法
技术领域
本发明涉及金属材料加工技术领域，尤其涉及到一种用于废弃钛合金切屑固化处理的连续反复高压扭转变形循环再制造方法。
背景技术
废弃金属切屑循环处理最常用的技术是重熔与铸造。然而，高温熔铸能耗大、污染重，效率低，且铸造组织晶粒粗大，力学性能较差。为避免高温熔铸，可采用固相回收方式。但是，钛合金(Ti-6Al-4V)是易于氧化的活泼金属，其切屑表面氧化物以TiO2形式存在，TiO2质地坚韧，它经过多道次等通道转角挤压固化处理后，虽然能够在一定程度上被破碎，仍然存在很多尺寸较大且连续分布的氧化物，这些氧化物形成钛合金微观组织中的冶金缺陷，削弱再生材料的机械性能。
等通道转角挤压的加工温度一般接近钛合金的再结晶温度范围，故这种加工方法存在细化能力的极限，即当动态再结晶与应变细化效应达到平衡时，则难以使微观组织进一步细化至纳米级。与此同时，等通道转角挤压单道次加工产生的应变大小有限，为了累计应变，须多道次反复挤压，故这种变形技术的应变累积率和加工效率有待提高，以上技术问题尚未很好地解决。
传统的间隙(断)性高压扭转变形技术具有两大局限性：
一、它是间隙式的，缺乏连续性，即一次只能对一个试样进行高压扭转变形加工，若要加工新的试样，必须停止加工进程，打开模具，取出旧的试样，然后放置新的试样到模具中，再开始新试样的变形加工，耗费生产时间，劳动生产率较低；
二、它加工的试样的形状只能是圆盘形，无法加工出工程实际中经常使用的在长度方向上具有很长尺寸的块体再生带材。
因此，我们有必要对这样一种情况进行改善，以克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的是基于固相再制造的理念，研发一种针对高冶炼成本的钛合金资源的环境友好型连续反复高压扭转循环再制造技术，以克服现有技术存在的上述缺点，提高加工效率，制备出全致密化的大尺寸块体钛合金带材，实现废弃钛合金切屑的高效、清洁回收再利用，从而提出一种废弃钛合金切屑连续反复高压扭转变形循环再制造方法。
本发明的上述技术目的是用过以下技术方案实现的：
废弃钛合金切屑连续反复高压扭转变形循环再制造方法，包括如下步骤：
S1、钛合金切屑的回收预处理：采用乙醇对钛合金切屑原材料进行清洗；
S2、钛合金切屑包套封装：将通过步骤S1所获得的钛合金切屑用2级商业纯钛(ASTM Grade 2)所制成的薄板予以封装，从而制得带材生坯；
S3、连续反复高压扭转变形固化：将通过步骤S2所获得的带材生坯喂送入连续反复高压扭转固化装置的模具中，所述模具为钢制的圆盘形模具，所述装置包括可旋转的下砧座和上砧座，在所述下砧座处具有挤压沟槽，以便于实施高压扭转变形，所述下砧座由转轴带动旋转并提供扭矩，所述上砧座可进行上下移动，将喂送入模具的带材生坯置入上砧座和下砧座之间，并且通过液压系统向上砧座施加一个轴向的超高压强(5GPa)，并由下砧座旋转五次以提供强烈的径向剪切应变，从而得到再生合金带材；
S4、退火预处理：将固化后的再生合金带材放入真空热处理炉，加热至720-740摄氏度，保温2小时，空冷至室温。
本发明的进一步设置为：步骤S1中的切屑原材料为通过端铣加工获得的5级(ASTMGrade 5)钛合金(即Ti-6Al-4V)所生成的切屑。
本发明的进一步设置为：步骤S1中的清洗工序是在超声波振动槽内清洗，且采用99.9％的乙醇。
本发明的进一步设置为：步骤S3中模具外径为150mm，模具高度为60mm，模具型腔挤压沟槽的横截面尺寸为7×25mm。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
本发明体现在工艺过程的连续性、试样变形加工实施的可反复性、以及试样具备较大尺寸(特别是在长度方向上，能够通过回收废弃切屑并再制造出长度很长的块体带材)。因此，该技术工艺操作简单实用，加工效率高。对比高温熔铸(～1200摄氏度)技术或等通道转角挤压技术，本发明提出的技术方案是在室温下开展连续反复高压扭转变形固化，从而能够有效地抑制晶粒粗化。与此同时，本发明提出的技术方案在模具上砧座的轴向施加了超高压强，结合下砧座的旋转作用，能够在试样的横(径)向产生强烈的剪切应变效果，由此，一方面实现了试样微观组织的超细晶(纳米级)细化，另一方面，切屑表面氧化物(TiO2)在剪切应变的剧烈搓碾作用下充分破碎弥散，经过多道次旋转挤压加工后，彻底消除微观缺陷，实现再制造钛合金试样的全致密化。总之，本发明提出的技术是一种高效清洁的金属资源固相循环处理技术，适用于开展以钛合金为代表的高冶炼成本金属资源的回收与再制造。
利用本发明提出的连续反复高压扭转变形再制造技术固化处理5级(ASTM Grade5)Ti-6Al-4V合金切屑，通过阿基米德法测定，再制造Ti-6Al-4V合金块体带材实现了全致密化(相对密度达到100％)。在扫描电子显微镜下多点观察，未发现微观孔隙存在。同时，通过线切割4.00×4.00×6.00mm试样，并在万能材料试验机上开展性能测试，再制造Ti-6Al-4V合金的屈服强度约为1200MPa，这一指标高于5级钛(ASTM Grade 5，即Ti-6Al-4V合金)商业棒材的屈服强度(800-1000MPa)。
附图说明
图1是连续反复高压扭转变形循环再制造技术装置的主视图(A-A剖视)
图2是连续反复高压扭转变形循环再制造技术装置的俯视图
图中数字和字母所表示的相应部件名称：
其中：1-带材生坯；2-下砧座；3-转轴；4-上砧座。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合图示与具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1和图2所示，本发明提出的废弃钛合金切屑连续反复高压扭转变形循环再制造方法，包括如下步骤：
S1、钛合金切屑的回收预处理：采用乙醇对钛合金切屑原材料进行清洗；以除去原材料中的油污和杂质；切屑原材料采用通过端铣加工获得的5级(ASTM Grade 5)钛合金(即Ti-6Al-4V)所生成的切屑，清洗优选采用超声清洗的方法，在超声波振动槽内清洗，所用乙醇为99.9％的乙醇；
S2、钛合金切屑包套封装：将通过步骤S1所获得的钛合金切屑用2级商业纯钛(ASTM Grade 2)所制成的薄板予以封装，从而制得带材生坯；
S3、连续反复高压扭转变形固化：将通过步骤S2所获得的带材生坯喂送入连续反复高压扭转固化装置的模具中，固化工艺装置如图1和图2所示；图1包括主视图(A-A剖视)和去掉上砧座4以后的俯视图。模具为钢制的圆盘形模具(模具外径为50mm，模具高度为60mm，模具下砧座2处挤压沟槽(型腔)的横截面尺寸为7×25mm)。将喂送入模具的切屑带材生坯1置入固化装置的可旋转的下砧座2(由轴3带动旋转并提供扭矩)和(可上下移动的)上砧座4之间，然后通过液压系统向上砧座4施加一个轴向的超高压强(5GPa)，并由下砧座2旋转五次以提供强烈的径向剪切应变；带材在模具挤压沟槽中的移动一是依靠旋转下砧座的主动摩擦作用，二是通过从模具外部施加一个抽拔力来完成出料，将经过高压扭转固化的钛合金带材1拉出模具。与此同时，可将另外一个带材试样(该试样可以是带材生坯，或已经历过一次以上的高压扭转固化的带材)喂送进模具的挤压沟槽，为了便于进料，可将模具进料口处的沟槽设计为向外开口的喇叭型；通过下砧座2的主动摩擦作用在材料横截面施加一个扭矩，并结合(施加于上砧座4的)轴向超高压(5GPa)的作用，在室温下产生由轴向压缩及横(径)向剪切构成的组合塑性应变，这是一种剧烈的压-剪复合应变作用，通过数道次的扭转挤压工序后，应变量逐渐累积增加，不断细化晶粒，最终获取组织均匀的纳米晶材料，在轴-径向的压-剪复合应变作用下制取高致密度带材试样，实现切屑的全致密固化，彻底消除孔隙缺陷。连续反复高压扭转变形过程是在室温及大气环境中进行；其中，所述下砧座2为圆柱状结构，所述下砧座2的上表面中间部位凹设有圆形腔体，沿着圆形腔体圆周部位的下端凹设有挤压沟槽，所述挤压沟槽为环形结构，所述下砧座2的侧壁还分别穿设有进料通道和出料通道，所述进料通道、出料通道均与挤压沟槽相连通，所述进料通道与挤压沟槽相切，所述出料通道也与挤压沟槽相切，所述上砧座4为圆柱状结构，所述上砧座4的直径与原型腔体的直径相同，所述上砧座4的下部还凸出有挤压件，所述挤压件为圆环状结构，所述挤压件与挤压沟槽相适应，带材生坯自进料通道进入下砧座2内，经挤压沟槽直至从出料通道出料，在这个固化流程中，带材生坯呈U形结构；
S4、退火预处理：将固化后的再生合金带材放入真空热处理炉，加热至720-740摄氏度，保温2小时，空冷至室温，以改善力学性能。
本发明将连续反复高压扭转变形技术用于固化废弃钛合金切屑，成功地将该技术应用于回收、处理废弃钛合金切屑，是一种新的钛资源固态循环与再制造方法，能够高效、清洁地将废弃钛切屑转变为块体超细晶高强度钛合金带材。
其中，本发明的高压扭转变形具有连续性，即本技术能够连续性进料和出料，从而连续不断地批量循环再制造大尺寸块体带材，换言之，本发明能够连续不断地加工固化不同的(两根以上)钛合金再生带材试样；
本发明的变形具有可反复性，即针对一根带材试样，可以反复地施加高压扭转，应变累积速率大，从而有效提高了切屑再制造的加工效率；
本发明可制备在长度方向上具有很长尺寸的切屑再生带材，满足工程实际的需求。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (4)

1.废弃钛合金切屑连续反复高压扭转变形循环再制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、钛合金切屑的回收预处理：采用乙醇对钛合金切屑原材料进行清洗；
S2、钛合金切屑包套封装：将通过步骤S1所获得的钛合金切屑用2级商业纯钛(ASTMGrade 2)所制成的薄板予以封装，从而制得带材生坯；
S3、连续反复高压扭转变形固化：将通过步骤S2所获得的带材生坯喂送入连续反复高压扭转固化装置的模具中，所述模具为钢制的圆盘形模具，所述装置包括上砧座和可旋转的下砧座，在所述下砧座处具有挤压沟槽，以便于实施高压扭转变形，所述下砧座由转轴带动旋转并提供扭矩，所述上砧座可进行上下移动，将喂送入模具的带材生坯置入上砧座和下砧座之间，并且通过液压系统向上砧座施加一个轴向的超高压强(5GPa)，并由下砧座旋转五次以提供强烈的径向剪切应变，从而得到再生合金带材；
S4、退火预处理：将固化后的再生合金带材放入真空热处理炉，加热至720-740摄氏度，保温2小时，空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的废弃钛合金切屑连续反复高压扭转变形循环再制造方法，其特征在于：步骤S1中的切屑原材料为通过端铣加工获得的5级(ASTM Grade 5)钛合金(即Ti-6Al-4V)所生成的切屑。
3.根据权利要求1所述的废弃钛合金切屑连续反复高压扭转变形循环再制造方法，其特征在于：步骤S1中的清洗工序是在超声波振动槽内清洗，且采用99.9％的乙醇。
4.根据权利要求1所述的废弃钛合金切屑连续反复高压扭转变形循环再制造方法，其特征在于：步骤S3中模具外径为150mm，模具高度为60mm，模具型腔挤压沟槽的横截面尺寸为7×25mm。
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