CN110076208B - 废弃钛合金切屑连续反复弯曲-折弯挤压循环再制造方法 - Google Patents

废弃钛合金切屑连续反复弯曲-折弯挤压循环再制造方法 Download PDF

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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弯曲‑折弯挤压循环再制造方法，包括如下步骤：S1、钛合金切屑回收预处理；S2、钛合金切屑包套封装及室温冷轧；S3、连续反复弯曲‑折弯组合变形固化；S4、再制造钛合金带材退火热处理。通过本发明提出的连续反复弯曲‑折弯挤压循环再制造，能够有效地循环固化废弃钛合金切屑，并快速制备出组织均匀的再生超细晶钛合金带材，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。

Description

废弃钛合金切屑连续反复弯曲-折弯挤压循环再制造方法
技术领域
本发明涉及金属材料加工技术领域，尤其涉及到用于废弃钛合金切屑固化处理的连续反复弯曲-折弯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的连续反复弯曲-折弯组合变形循环再制造技术，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再生带材，实现废弃钛合金切屑的高效、清洁回收再利用，从而提出一种钛合金切屑循环固化的连续反复弯曲-折弯挤压再制造方法。
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弯曲-折弯挤压循环再制造方法，包括如下步骤：
S1、钛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；
S2、钛合金切屑包套封装及室温冷轧：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，将封装好的钛合金切屑在室温下冷轧为带材生坯；
S3、连续反复弯曲-折弯组合变形挤压固化：将步骤S2所获得的冷轧带材生坯喂送入连续反复弯曲-折弯组合变形固化装置的模具中，所述模具为钢制圆筒形模具，所述模具的内壁具有挤压沟槽，所述模具的内部设置有可旋转的中心圆柱，所述模具的外部底端设置有用于固定模具的底座，所述模具还具有带材生坯的进料口和出料口，所述中心圆柱旋转五次以提供强烈的弯曲-折弯组合变形；
S4、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。
优选的，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。
优选的，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。
优选的，步骤S2中的带材生坯的相对密度为97％。
优选的，所述模具的外圈直径为200mm，所述挤压沟槽的横截面尺寸为7×25mm，中心圆柱的直径为100mm，所述模具的厚度为150mm。
优选的，所述中心圆柱的转速为每分钟10转。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
本发明的技术优越性已于前面“技术特征”部分所阐述，体现在该技术中变形组合方式的独特性、工艺过程的连续性、再制造试样加工实施的可反复性、以及切屑再生试样具备较大尺寸(特别是在长度方向上，能够通过回收废弃切屑再制造出在长度方向上很长的块体带材)。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弯曲-折弯组合变形挤压固化，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通过组合变形产生强烈的剪切应变效果，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，经过多道次变形加工后，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，本发明提出的废弃切屑变形固化再制造技术相较于等通道转角挤压或C-通道热挤压等技术，一是具有弯曲变形和折弯变形组合方式的独特性，二是增大了应变累积程度，三是其工艺过程能够无间断连续性地实施开展，从而提高了加工效率。
通过本发明提出的连续反复弯曲-折弯组合变形挤压固化再制造，可快速制备组织均匀的再生超细晶钛合金带材，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弯曲-折弯组合变形循环再制造技术固化处理5级(ASTM Grade 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1100MPa，这一指标高于5级钛(ASTM Grade5，即Ti-6Al-4V合金)商业棒材的屈服强度(800-1000MPa)。
附图说明
图1是连续反复弯曲-折弯组合变形挤压固化再制造装置的结构示意图。
图中数字和字母所表示的相应部件名称：
其中：1-带材生坯；2-模具外圈部分；3-模具中心圆柱部分；4-底座。
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。
结合图1所示，本发明提出的废弃钛合金切屑连续反复弯曲-折弯挤压循环再制造方法，包括如下步骤：
S1、钛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 Grade 5)钛合金(即Ti-6Al-4V)所生成的切屑，清洗采用超声清洗的方法，在超声波振动槽内清洗，所用乙醇优选99.9％的乙醇；
S2、钛合金切屑包套封装及室温冷轧：将通过步骤S1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；将封装好的钛合金切屑在室温下冷轧为带材生坯(经阿基米德法测试初轧生坯的相对密度为97％)；
S3、连续反复弯曲-折弯组合变形挤压固化：将通过步骤S2所获得的冷轧带材生坯喂送入连续反复弯曲-折弯组合变形挤压固化装置的模具中，固化工艺装置如图1所示，圆筒形的模具是由(固定的)外圈2和(可旋转的)中心圆柱3两大部分构成；模具材质为钢；在模具中，固定不动的外圈圆筒直径为200mm，加工在该圆筒内壁上的挤压沟槽(即模具型腔)的横截面尺寸为7×25mm，中心可旋转的圆柱直径为100mm，模具整体厚度为150mm)，模具外圈部分中心圆柱的转速恒定在每分钟10转。挤压工序的整个流程都是在挤压沟槽内完成的，因此，模具的外圈部分2的内壁与中心圆柱3的外壁既是密切接触，又是可相对滑动的。同时，中心圆柱的转速设定为每分钟10转，则圆柱旋转的切向线速度与进料/出料的速度要求标准相符。连续反复弯曲-折弯组合变形挤压固化再制造过程在室温及大气环境中进行，将喂送入模具的切屑带材生坯(或已经历一次以上的连续反复变形的带材试样)1置入固化装置中固定不动的(圆筒型)外圈2和可旋转的中心圆柱3之间(外圈圆筒通过底座4予以固定)。从理论上讲，变形固化流程可通过中心圆柱3的无限次旋转来连续反复地开展；在实践中发现，通过中心圆柱旋转五次即可提供足够强烈的弯曲-剪切组合应变，从而实现了废弃钛合金切屑的全致密固化。此外，带材在模具挤压沟槽中的移动一是依靠可旋转中心圆柱3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，将经过弯曲-折弯组合变形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，或已经过一次以上的弯曲-折弯组合变形挤压固化的带材试样)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，借助中心圆柱3的主动摩擦并结合模具外抽拔力的共同作用，在室温下产生弯曲-折弯组合塑性应变，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，制取高致密度带材再生试样，实现切屑的全致密固化，彻底消除孔隙缺陷；
S4、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。
其中，带材生坯为已经历一次以上的连续反复变形的带材试样。
本技术将剧烈弯曲变形和剧烈折弯变型融为一体，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。
本技术所实施的弯曲-折弯组合变形具有连续性，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独特的(弯曲-折弯)组合变形的方式挤压固化不同的(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(弯曲-折弯)剧烈变形具有可反复性，即针对一根带材试样，可以反复地施加弯曲-折弯剧烈变形，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。
本发明以废弃Ti-6Al-4V合金切屑为原料，可高效地再制造出在长度方向上具有很长尺寸的块体带材，满足工程实际的需求。通过阿基米德法测定试样的相对密度为100％。利用该技术固化处理5级(ASTM Grade 5)Ti-6Al-4V合金切屑，其屈服强度(1100MPa)高于5级钛商业棒材的屈服强度(800-1000MPa)。该方法是一种高效清洁的金属废弃资源循环处理技术，适用于开展以钛合金为代表的高冶炼成本金属资源回收与再制造。
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 (1)

1.废弃钛合金切屑连续反复弯曲-折弯挤压循环再制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、钛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；
S2、钛合金切屑包套封装及室温冷轧：将通过步骤S1所获得的钛合金切屑用2级商业纯钛所制成的薄板予以封装，将封装好的钛合金切屑在室温下冷轧为带材生坯；
S3、连续反复弯曲-折弯组合变形挤压固化：将步骤S2所获得的带材生坯喂送入连续反复弯曲-折弯挤压变形固化装置的模具中，所述模具为钢制圆筒形模具，所述模具的内壁具有挤压沟槽，所述模具的内部设置有可旋转的中心圆柱，所述模具的外部底端设置有用于固定模具的底座，所述模具还具有带材生坯的进料口和出料口，所述中心圆柱旋转五次以提供强烈的弯曲-折弯组合变形；
S4、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；
步骤S1中的钛合金切屑原材料为通过端铣加工获得的5级钛合金Ti-6Al-4V所生成的切屑；
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；
步骤S2中的带材生坯的相对密度为97％；
所述模具的外圈直径为200mm，所述挤压沟槽的横截面尺寸为7×25mm，中心圆柱的直径为100mm，所述模具的厚度为150mm；
所述中心圆柱的转速为每分钟10转。
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