钛废弃切屑循环固化的球磨‑高压扭转方法技术

本发明专利技术提出一种钛废弃切屑循环固化的球磨‑高压扭转方法，包括以下步骤：(1)钛切屑回收预处理：清洗钛切屑，去除油污和杂质；(2)钛切屑的球磨加工：将步骤(1)预处理后的钛切屑进行球磨加工；(3)钛切屑的室温高压扭转固化处理：将步骤(2)球磨加工后的钛切屑进行室温高压扭转固化处理。该方法首先通过球磨工艺实现钛切屑外形尺寸的微米级细化。切屑表面氧化物在钢球的碰撞搓碾下充分破碎弥散，在切屑内部亦形成超细组织。然后，在室温下由高压扭转技术通过轴向超高压和横向强烈剪切的复合作用，进一步细化晶粒，实现切屑固化过程中的组织纳米化，实现再制造钛材的全致密化。

Method of milling high pressure titanium chip cyclic torsional curing waste

The invention provides a method of milling high titanium waste chip curing reverse circulation, which comprises the following steps: (1) titanium chip recycling pretreatment: clean titanium chip, remove dirt and impurities; (2) milling titanium chip: step (1) after pretreatment of the titanium chip in the milling process; (3) the room temperature high pressure titanium chip reverse solidification: step (2) after ball milling of titanium processing chip for room temperature curing process of high pressure torsion. In this method, micron size refinement of titanium chip shape is realized by ball milling technology. The oxide of the chip surface is broken and dispersed under the collision of the steel ball, and the ultrafine structure is formed in the chip. Then, at room temperature by high pressure torsion effect of composite technology by ultra high pressure axial and transverse shearing, refinement, the nano crystallization chip during the curing process, to achieve full densification of titanium material of remanufacturing.

【技术实现步骤摘要】
钛废弃切屑循环固化的球磨-高压扭转方法
本专利技术涉及金属材料加工技术，尤其涉及一种钛废弃切屑循环固化的球磨-高压扭转方法。
技术介绍
废弃金属切屑循环处理的传统技术是高温熔铸。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，发展了固相循环回收技术。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。高压扭转(High-pressuretorsion，简称HPT)是另一种制备块体纳米金属材料的剧烈塑性变形技术。Valiev和Langdon在《AdvancedEngineeringMaterials》2010年12卷677-691页上发表“Theartandscienceoftailoringmaterialsbynano-structuringforadvancedpropertiesusingSPDtechniques”(采用SPD技术实现材料纳米结构调控及高性能化的科学与工艺)一文，指出HPT技术对于纳米晶制备很有效。例如，采用HPT技术对纯铜在6GPa的压力及室温下旋转处理5道次，获得小于100nm的超细微观组织。相较之下，若采用ECAP技术处理纯铜，在12道次之后微观组织仅细化至～200nm。显然，HPT技术的细化效率高于ECAP技术。而且，HPT在超高压作用下可实现材料在低温或室温下的塑性加工。例如，高强度的密排六方钛其塑性成形能力远逊于铜，在室温下难以塑性变形。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ECAP变形处理钛材一道次。但为了减少变形抗力，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。相较而言，HPT技术能高效地实现钛材的室温加工。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、钒的微米粉为原料，通过BM技术合成制备了具有纳米尺度(小于100nm)的Ti-6Al-4V合金材料。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，初始原料采用平均粒径小于150μm的Ti粉末，首先通过BM处理，获得小于25μm的纯钛超细粉末，并经过放电等离子烧结成功获得块体钛材。废弃金属资源的循环与再制造是实现可持续发展的关键之一。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，为了制造高精度钛结构，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。因此，有必要对钛废弃切屑处理方法进行改进，以克服上述缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种钛废弃切屑循环固化的球磨-高压扭转方法，将废弃钛切屑制备出全致密化的块体超硬纳米钛材，实现废弃钛切屑的高效、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，钛废弃切屑循环固化的球磨-高压扭转方法，包括以下步骤：(1)钛切屑回收预处理：清洗钛切屑，去除油污和杂质；(2)钛切屑的球磨加工：将步骤(1)预处理后的钛切屑进行球磨加工；(3)钛切屑的室温高压扭转固化处理：将步骤(2)球磨加工后的钛切屑进行室温高压扭转固化处理。步骤(1)的具体过程是，以端铣2级钛所生成的钛切屑为原材料，采用超声波清洗装置进行清洗，以去除原材料中的油污和杂质；其中，超声波清洗装置采用99.9％的乙醇作为洗涤液。步骤(2)的具体过程是，将步骤(1)预处理后的钛切屑置入球磨机的球磨容器内，球磨机运行转速为300rpm，球磨机运行总时长为15小时，每运行1个小时暂停12分钟；其中，切屑与钢球之间质量比为15:1，钢球的直径为10mm；同时，向球磨容器内加入1wt.％的硬脂酸作为过程控制剂，并充入氩气作为保护氛围。步骤(3)的具体过程是，将步骤(2)球磨加工后的钛切屑放入烘箱干燥，然后置入高压扭转模具，将置入模具中的钛切屑放入高压扭转装置的上部冲头和下砧座之间，通过液压系统在上冲头轴向施加超高压，并由下砧座旋转；其中，烘箱温度为60℃，干燥时间为30分钟；模具外径内径高度60mm；超高压为5Gpa，旋转次数为5次。该方法以废弃Ti切屑为原料，通过BM和HPT技术相结合，循环制备出大尺寸、块体高硬度纳米Ti材。在本专利技术的BM-HPT技术中，首先通过BM技术实现Ti切屑的超细化。切屑表面的氧化物(TiO2)在钢球的碰撞、搓碾下彻底破碎。然后，在室温下由HPT工艺开展BM-Ti切屑的固化与纳米晶化。在HPT系统中，在纵轴方向施加5GPa的超高压。同时，通过旋转支撑(下砧座)的主动摩擦作用在材料横截面施加一扭矩，产生由轴向压缩及横向剪切构成的组合塑性应变，通过挤压扭转工序后，应变量逐渐增加，最终获取组织均匀的纳米晶材料，实现BM-Ti切屑的全致密固化，彻底消除孔隙缺陷。本专利技术的优点在于：废弃金属切屑循环处理的传统技术是重熔+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，可采用本文档来自技高网...

【技术保护点】
钛废弃切屑循环固化的球磨‑高压扭转方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)钛切屑回收预处理：清洗钛切屑，去除油污和杂质；(2)钛切屑的球磨加工：将步骤(1)预处理后的钛切屑进行球磨加工；(3)钛切屑的室温高压扭转固化处理：将步骤(2)球磨加工后的钛切屑进行室温高压扭转固化处理。

【技术特征摘要】
1.钛废弃切屑循环固化的球磨-高压扭转方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)钛切屑回收预处理：清洗钛切屑，去除油污和杂质；(2)钛切屑的球磨加工：将步骤(1)预处理后的钛切屑进行球磨加工；(3)钛切屑的室温高压扭转固化处理：将步骤(2)球磨加工后的钛切屑进行室温高压扭转固化处理。2.根据权利要求1所述的钛废弃切屑循环固化的球磨-高压扭转方法，其特征在于，步骤(1)中，以端铣2级钛所生成的钛切屑为原材料，采用超声波清洗装置进行清洗，以去除原材料中的油污和杂质。3.根据权利要求2所述的钛废弃切屑循环固化的球磨-高压扭转方法，其特征在于，超声波清洗装置采用99.9％的乙醇作为洗涤液。4.根据权利要求1所述的钛废弃切屑循环固化的球磨-高压扭转方法，其特征在于，步骤(2)中，将步骤(1)预处理后的钛切屑置入球磨机的球磨容器内，球磨机运行转速为300rpm，球磨机运行总时长为15小时，每运行1个小时暂停12分钟。5.根据权利要求4所述的钛废弃切...

【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