一种钛切屑循环固化的平行通道转角‑缩径复合挤压方法技术

本发明专利技术提出一种钛切屑循环固化的平行通道转角‑缩径复合挤压方法，包括以下步骤：(1)钛切屑回收预处理；(2)钛切屑的球磨处理；(3)钛切屑的包套封装；(4)包套封装钛切屑的室温预挤压；(5)平行通道转角‑缩径复合挤压高温固化加工：加热模具至570‑600℃，冲头施加0.9～1.0GPa的挤压力，通过单道次加工可获得等效应变累积～2，足以固化包套中的钛切屑，再由纯铝伪试样将固化的钛切屑推出；(6)淬火。该方法在复合挤压模具中，通过单道次挤压后，等效应变量的累积为平行通道转角挤压和缩径挤压的等效应变之和，提高了应变累积效率，避免了高温熔铸，适用于开展以钛为代表的高冶炼成本金属资源的回收与再制造。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及金属材料加工方法，尤其涉及一种钛切屑循环固化的平行通道转角-缩径复合挤压方法。
技术介绍
钛是高冶炼成本的金属资源，其生物相容性优异、耐蚀性好、力学性能适宜，是制造医疗器械、人工关节、大型能源化工容器等的重要材料。但是，为了制造高精度Ti结构，需设计较大的加工余量，大量的原材料将转化为废弃切屑。传统的高温熔铸处理能耗大、污染重，效率低，且铸造组织晶粒粗大，性能较差。固相循环与再制造因避免高温熔铸，是实现金属资源高效、清洁循环的一个有效途径。通过对现有技术的文献检索发现，将等通道转角挤压(Equalchannelangularpressing，简称ECAP)技术应用于处理金属切屑，能够细化晶粒，改善再制造材料的微观组织形态，提高机械性能。Lapovok等在《JournalofMaterialsScience》2014年49卷1193-1204页上发表“Multicomponentmaterialsfrommachiningchipscompactedbyequal-channelangularpressing(由等通道转角挤压切屑成形制备多组分材料)”一文，报道了通过铝切屑及镁切屑的相互混合，由ECAP循环再生多组分合金材料；Luo等在《JournalofMaterialsScience》2010年45卷4606-4612页上发表“Recyclingoftitaniummachiningchipsbysevereplasticdeformationconsolidation(钛切屑的剧烈塑性变形固态循环)”一文，提出通过回收废弃的2级钛(ASTMGrade2)切屑，并由ECAP技术来循环再制造块体材料。此外，Zhao等在《ScriptaMaterialia》2008年59卷542-545页上发表“Microstructureandpropertiesofpuretitaniumprocessedbyequal-channelangularpressingatroomtemperature”(室温等通道转角挤压制备纯钛的微观结构与性能)一文，在室温下用单道次ECAP变形处理钛材。为了减少变形抗力，ECAP模具夹角由90度增加到120度，且挤压速率也较低(0.5mm/s)，这降低了ECAP的应变累积率和加工效率。Valiev等在《AdvancedEngineeringMaterials》2007年9卷527-533页上发表“Theinnovationpotentialofbulknanostructuredmaterials”(块体纳米材料的革新潜力)一文，提出两步法加工块体超细晶材料，该技术包括120度转角的ECAP预挤压，以及最终挤压两个步骤，通过这种集成制造工艺，可由棒材制备成形具有轴对称棘轮外廓形状的微电子机械零件。Valiev和Langdon在《MetallurgicalandMaterialsTransactionsA-PhysicalMetallurgyandMaterialsScience》2011年42卷2942-2951页上发表“Achievingexceptionalgrainrefinementthoughsevereplasticdeformation:newapproachesforimprovingtheprocessingtechnology”(通过剧烈塑性变形实现超细晶化：改进加工技术的新途径)一文，提出具有平行通道的ECAP技术，模具包含两个转角，每一转角均为120度。通过单道次挤压，就获得了～2的总等效应变。其应变累积率和加工效率比以往的ECAP工艺提高了约2倍。球磨(Ballmilling，简称BM)是一种广泛用于制备超细粉体材料的剧烈塑性变形技术。对现有技术文献的检索发现，MahboubiSoufiani等在《MaterialsandDesign》2012年37卷152-160页上发表“FormationmechanismandcharacterizationofnanostructuredTi6Al4Valloypreparedbymechanicalalloying(机械合金化制备Ti6Al4V合金纳米结构的形成机制及表征)”一文，报道以钛、铝、钒微米粉为原料，通过BM技术制备纳米尺度(小于100nm)的Ti-6Al-4V合金。此外，Zadra在《MaterialsScienceandEngineeringA》2013年583卷105-113页上发表“Mechanicalalloyingoftitanium(钛的机械合金化)”一文，初始原料小于150μm的Ti粉末，首先通过BM处理，获得小于25μm的纯钛超细粉末，并由放电等离子烧结获得块体钛材。废弃金属切屑循环处理的传统技术是重熔与铸造。然而，高温熔铸能耗大、污染重，效率低，且铸造组织晶粒粗大，机械性能较差。为避免高温熔铸，可采用固相烧结方式。但是，钛(Ti)是易于氧化的活泼金属，其切屑表面氧化物以TiO2形式存在，其质地坚韧，虽然经过多道次ECAP处理后氧化物能够一定程度地破碎、弥散，但是，较大氧化物的连续分布将形成微观组织中的冶金缺陷，削弱材料的机械性能。ECAP加工还存在细化极限，即当动态再结晶与应变细化效应达到平衡时，则ECAP将难以使微观组织进一步细化至纳米级。而且，在90度转角条件下，ECAP单道次加工产生的等效应变约为1，为了累计应变，须多道次反复挤压，故ECAP的应变累积率和加工效率有待提高。同时，超细粉体在BM处理后，须开展热压烧结或粉末挤/锻压等后续处理工序以获得块体材料，而在这些工序中，因加热(烧结)时间长，以及动态再结晶等因素的影响，将发生晶粒粗化，削弱材料强度。以上技术问题目前尚未很好地解决。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种钛切屑循环固化的平行通道转角-缩径复合挤压方法，以提高应变累积与加工效率，制备出全致密化的大尺寸块体Ti材，实现废弃Ti切屑的高效、清洁回收再利用。本专利技术为解决其技术问题所采用的技术方案是，一种钛切屑循环固化的平行通道转角-缩径复合挤压方法，包括以下步骤：(1)钛切屑回收预处理：采用乙醇对钛切屑原材料进行清洗，以除去原材料中的油污和杂质；钛切屑原材料可采用通过端铣加工获得的2级钛(ASTMGrade2)所生成的切屑，清洗优选采用超声清洗的方法，例如在超声波振动槽内清洗，所用乙醇优选99.9％的乙醇；(2)钛切屑的球磨处理：将预处理后的钛切屑置入内含钢球的球磨容器内，同时加入过程控制剂，在惰性气体气氛的保护下球磨10-20小时，转速280-350rpm；优选的，钛切屑与钢球之间质量比为12-20:1，钢球的直径为7-12mm，所述过程控制剂可选自硬脂酸、纯铁粉等，优选硬脂酸，过程控制剂的加入量为0.5-2wt％；惰性气体可以是氮气、氩气、氦气等，优选氩气。保持惰性气氛是为了防止切屑在BM过程中过度氧化。此外，最好通过在容器外部通以液氮循环，以降低切屑-钢球的摩擦温度，且机器每运行一段时间1-2小时暂停10-15分钟；(3)钛切屑的包套封装：钢筒外包裹一层固体润滑剂，圆筒直径小于模具通道直径，将钢筒-固体润滑剂置入冷压模具，将钛切屑装填至本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钛切屑循环固化的平行通道转角‑缩径复合挤压方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)钛切屑回收预处理：采用乙醇对钛切屑原材料进行清洗，以除去原材料中的油污和杂质；(2)钛切屑的球磨处理：将预处理后的钛切屑置入内含钢球的球磨容器内，同时加入过程控制剂，在惰性气体气氛的保护下球磨10‑20小时，转速280‑350rpm；(3)钛切屑的包套封装：钢筒外包裹一层固体润滑剂，圆筒直径小于模具通道直径，将钢筒‑固体润滑剂置入冷压模具，将钛切屑装填至钢筒空腔中，再用手动压力机将切屑初步压实；(4)包套封装钛切屑的室温预挤压：将包套封装钛切屑置入平行通道转角‑缩径挤压模具的进口通道，再置入纯铝伪试样，用于推动包套封装的钛切屑，将已装填了钛切屑和纯铝伪试样的模具安装在液压机上，将冲头放入模具进口通道，并持续提高冲头的压强，至～500MPa时停止预挤压；(5)平行通道转角‑缩径复合挤压高温固化加工：加热模具至570‑600℃，冲头施加0.9～1.0GPa的挤压力，通过单道次加工可获得等效应变累积～2，足以固化包套中的钛切屑，再由纯铝伪试样将固化的钛切屑推出；(6)淬火：将平行通道转角‑缩径挤压高温固化加工步骤中获得的块体钛材通过水冷方式淬火冷却至室温。...

【技术特征摘要】
1.一种钛切屑循环固化的平行通道转角-缩径复合挤压方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)钛切屑回收预处理：采用乙醇对钛切屑原材料进行清洗，以除去原材料中的油污和杂质；(2)钛切屑的球磨处理：将预处理后的钛切屑置入内含钢球的球磨容器内，同时加入过程控制剂，在惰性气体气氛的保护下球磨10-20小时，转速280-350rpm；(3)钛切屑的包套封装：钢筒外包裹一层固体润滑剂，圆筒直径小于模具通道直径，将钢筒-固体润滑剂置入冷压模具，将钛切屑装填至钢筒空腔中，再用手动压力机将切屑初步压实；(4)包套封装钛切屑的室温预挤压：将包套封装钛切屑置入平行通道转角-缩径挤压模具的进口通道，再置入纯铝伪试样，用于推动包套封装的钛切屑，将已装填了钛切屑和纯铝伪试样的模具安装在液压机上，将冲头放入模具进口通道，并持续提高冲头的压强，至～500MPa时停止预挤压；(5)平行通道转角-缩径复合挤压高温固化加工：加热模具至570-600℃，冲头施加0.9～1.0GPa的挤压力，通过单道次加工可获得等效应变累积～2，足以固化包套中的钛切屑，再由纯铝伪试样将固化的钛切屑推出；(6)淬火：将平行通道转角-缩径挤压高温固化加工步骤中获得的块体钛材通过水冷方式淬火冷却至...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗蓬，
申请(专利权)人：上海电机学院，
类型：发明
国别省市：上海;31