CN110076197A - 废弃钛合金切屑连续反复多级轧制-转角挤压再制造方法 - 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多级轧制‑转角挤压循环再制造方法，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、连续反复多级轧制‑转角挤压固化；S4、退火预处理。本发明将连续反复多级轧制‑转角挤压再制造技术用于固化处理废弃钛合金切屑，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
技术领域
本发明涉及金属材料加工技术领域，尤其涉及到用于废弃钛合金切屑固化处理的连续反复多级轧制-转角挤压循环再制造方法。
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。
此外，现有的金属切屑变形固化技术，无论是等通道转角挤压技术，还是C-通道热挤压技术，它们的加工方式一般是间隙(断)性的，即每次加工一个试样后，须停机开模取样，然后置入新的待加工试样于模具型腔之中；在合模以后，重新开始新一轮变形固化加工。因此，现有的变形固化技术其生产加工效率有待提高。
发明内容
本发明的目的是通过连续反复多级轧制-转角挤压再制造工艺实现废弃Ti-6Al-4V合金切屑的固相循环回收，制备(再制造)全致密化的大尺寸块体钛合金再生带材。
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多级轧制-转角挤压再制造方法，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、连续反复多级轧制-转角挤压固化：将步骤S2所获得的带材生坯喂送入连续反复多级轧制-转角挤压组合变形装置中，所述装置包括中心轧辊，所述中心轧辊外部依次环设有第一行星轧辊、第二行星轧辊、第三行星轧辊和第四行星轧辊，所述中心轧辊的右侧还设有转角挤压模具，所述转角挤压模具处具有出料通道，带材生坯自下端进料口入料，经第一行星轧辊、第二行星轧辊、第三行星轧辊和第四行星轧辊进行轧制，然后从转角挤压模具出料，并且循环多次；
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：所述第一行星轧辊位于中心轧辊的正下方，所述第四行星轧辊位于中心轧辊的正上方，所述第二行星轧辊和第三行星轧辊均位于所述中心轧辊的左侧，所述第三行星轧辊位于所述第二行星轧辊的上端。
本发明的进一步设置为：所述中心轧辊的直径为120mm，第一行星轧辊、第二行星轧辊、第三行星轧辊和第四行星轧辊的直径均为40mm。
本发明的进一步设置为：所述第一行星轧辊与所述中心轧辊的间隙值为18mm，所述第二行星轧辊与所述中心轧辊的间隙值为14mm，所述第三行星轧辊与所述中心轧辊的间隙值为11mm，所述第四行星轧辊与所述中心轧辊的间隙值为9mm。
本发明的进一步设置为：所述中心轧辊与第一行星轧辊、第二行星轧辊、第三行星轧辊和第四行星轧辊之间安装有导向靴。
本发明的进一步设置为：所述中心轧辊与第一行星轧辊、第二行星轧辊、第三行星轧辊和第四行星轧辊之间的接触线速度为20mm/s。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
本发明将连续反复多级轧制-转角挤压技术用于循环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。
相较于现有的等通道转角挤压或C-通道热挤压等技术，本发明的新颖性体现在剧烈变形组合方式(利用行星轧辊提供多级轧制，并与转角挤压变形方式相结合)的独特性、工艺过程的连续性、试样加工实施的可反复性、以及再制造试样具备较大尺寸(特别是在长度方向上，能够再制造长度较长的块体带材)；其结果，提高了加工效率，增大了应变累积程度，且工艺过程能够无间断连续性地实施开展。
利用本发明提出的连续反复多级轧制-转角挤压再制造技术固化处理5级(ASTMGrade 5)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1250MPa，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是连续反复多级轧制-转角挤压组合变形固化装置的工作示意图。
图中数字和字母所表示的相应部件名称：
其中：1-带材；2-第一行星轧辊；3-第二行星轧辊；4-第三行星轧辊；5-第四行星轧辊；6-中心轧辊；7-转角挤压模具。
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。
结合图1所示，本发明提出的废弃钛合金切屑连续反复多级轧制-转角挤压再制造方法，包括如下步骤：
步骤(1)Ti-6Al-4V合金切屑回收预处理：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 Grade5)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；
步骤(2)钛合金切屑包套封装：将通过步骤(1)所获的钛合金切屑用2级商业纯钛(ASTM Grade 2)所制成的薄板予以封装，从而获得带材生坯；
步骤(3)连续反复多级轧制-转角挤压固化：将通过步骤(2)所获得的带材生坯喂送入连续反复多级轧制-转角挤压组合变形固化装置中，固化工艺装置如图1所示，第一至四级行星轧辊的直径均为40mm，中心轧辊1的直径为120mm；第一级行星轧辊2与中心轧辊1之间的间隙值设定为18mm，第二级行星轧辊3与中心轧辊1之间的间隙值为14mm，第三级行星轧辊4与中心轧辊1之间的间隙值为11mm，而第四级行星轧辊5与中心轧辊1之间的间隙值为9mm。在该装置中，第一级行星轧辊与中心轧辊之间的间隙值设定为最大，第二级行星轧辊与中心轧辊之间间隙的值次之，第三级行星轧辊的间隙值再次之，而第四级行星轧辊与中心轧辊之间间隙的值调整为最小，因此，在多级轧制工序中，固化的切屑带材经受的应变值逐级(由第一至四级)增长，经过多级轧制后，针对带材再施加转角挤压变形，应变累积程度进一步增加，整个多级轧制-转角挤压固化再制造加工可以连续反复地实施；由此可知，在多级轧制工序中，固化的切屑带材经受的应变值逐级(由第一至四级)增长。中心轧辊与各级行星轧辊之间的接触线速度稳定在20mm/s，连续反复多级轧制-转角挤压再制造过程在室温及大气环境中进行。根据本发明提出的技术方案开展实践，并发现经过多级轧制后，带材的宽度稳定保持在20mm的数值水平。然后，将多级轧制的带材经过转角挤压模具7进行剧烈塑性变形，使得应变累积程度进一步增加。整个多级轧制-转角挤压固化再制造加工可以连续反复地实施。在具体实施过程中，将喂送入模具的切屑带材生坯置入行星轧辊(第一至四级，在图1中的编号依次为2、3、4、5)和中心轧辊1之间进行轧制。带材在行星轧辊之间的移动一是依靠中心轧辊1的主动摩擦作用(可在行星轧辊与中心轧辊之间安装导向靴，以确保带材贴紧中心轧辊)，二是通过从(转角挤压)模具外部施加一个抽拔力来完成出料，将经过多级轧制-转角挤压固化的钛合金带材拉出模具。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多级轧制-转角挤压固化的带材)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。通过中心轧辊的主动摩擦作用并结合模具外抽拔力的作用，在室温下产生多级轧制-转角挤压剧烈塑性应变，通过5道次的变形固化工序后，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，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。
步骤(4)-再制造钛合金带材退火热处理，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。
本技术将多级轧制变形和转角挤压变形融为一体，能够高效、快速地获取超细晶组织，在有限的加工道次数目(5道次)以内实现切屑固化试样微观组织的纳米化。
本技术所实施的多级轧制-转角挤压工艺过程具有连续性，即通过连续性的进料和出料，从而连续不断地使批量的切屑再生带材经历剧烈塑性变形。换言之，本发明能够连续不断地以组合变形(多级轧制+转角挤压)的方式固化不同的(两根以上)大尺寸钛合金再制造带材试样；
本技术所实施的组合剧烈变形(多级轧制+转角挤压)具有可反复性，即针对一根带材试样，可以反复地施加多级轧制-转角挤压剧烈塑性变形，应变累积速率大，从而有效提高了加工效率；
本技术可制备出在长度方向上具有很长尺寸的切屑再制造块体带材，满足工程实际的需求。
作为对比，考察以往的等通道转角挤压或C-通道热挤压等技术，它们的加工方式一般是间隙(断)性的，即每次加工一个试样后，须停机开模取样，然后置入新的待加工试样；在合模以后，重新开始新一轮固化加工，故现有变形固化技术其生产效率较低。
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 (8)
1.废弃钛合金切屑连续反复多级轧制-转角挤压再制造方法，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(ASTMGrade2)所制成的薄板予以封装，从而制得带材生坯；
S3、连续反复多级轧制-转角挤压固化：将步骤S2所获得的带材生坯喂送入连续反复多级轧制-转角挤压组合变形装置中，所述装置包括中心轧辊，所述中心轧辊外部依次环设有第一行星轧辊、第二行星轧辊、第三行星轧辊和第四行星轧辊，所述中心轧辊的右侧还设有转角挤压模具，所述转角挤压模具处具有出料通道，带材生坯自下端进料口入料，经第一行星轧辊、第二行星轧辊、第三行星轧辊和第四行星轧辊进行轧制，然后从转角挤压模具出料，并且循环多次；
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多级轧制-转角挤压再制造方法，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 Grade5)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多级轧制-转角挤压再制造方法，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多级轧制-转角挤压再制造方法，其特征在于：所述第一行星轧辊位于中心轧辊的正下方，所述第四行星轧辊位于中心轧辊的正上方，所述第二行星轧辊和第三行星轧辊均位于所述中心轧辊的左侧，所述第三行星轧辊位于所述第二行星轧辊的上端。
5.根据权利要求4所述的废弃钛合金切屑连续反复多级轧制-转角挤压再制造方法，其特征在于：所述中心轧辊的直径为120mm，第一行星轧辊、第二行星轧辊、第三行星轧辊和第四行星轧辊的直径均为40mm。
6.根据权利要求5所述的废弃钛合金切屑连续反复多级轧制-转角挤压再制造方法，其特征在于：所述第一行星轧辊与所述中心轧辊的间隙值为18mm，所述第二行星轧辊与所述中心轧辊的间隙值为14mm，所述第三行星轧辊与所述中心轧辊的间隙值为11mm，所述第四行星轧辊与所述中心轧辊的间隙值为9mm。
7.根据权利要求1所述的废弃钛合金切屑连续反复多级轧制-转角挤压再制造方法，其特征在于：所述中心轧辊与第一行星轧辊、第二行星轧辊、第三行星轧辊和第四行星轧辊之间安装有导向靴。
8.根据权利要求1所述的废弃钛合金切屑连续反复多级轧制-转角挤压再制造方法，其特征在于：所述中心轧辊与第一行星轧辊、第二行星轧辊、第三行星轧辊和第四行星轧辊之间的接触线速度为20mm/s。
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