一种钛切屑的球磨电场压力辅助烧结再制造方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术提出一种钛切屑的球磨电场压力辅助烧结再制造方法与装置，包括如下步骤：步骤(1)‑Ti切屑回收预处理；步骤(2)‑Ti切屑的BM加工；步骤(3)‑BM‑Ti切屑的FAPAS固化。本发明专利技术将BM和FAPAS工艺相结合，从2级Ti(ASTM Grade 2)切屑出发，成功实施废弃切屑的再制造，制备出大尺寸块体Ti材。利用BM‑FAPAS再制造技术，既制备了超细组织，又实现了氧化物弥散，抑制冶金缺陷的形成。在相似的含氧量水平上，再制造Ti材的强度优于2级Ti商业棒材，并具有良好的各向同性，本发明专利技术的BM‑FAPAS再制造技术避免了高温熔铸，是一种低成本，且高效清洁的金属资源回收处理技术，特别适用于高冶炼成本Ti资源的循环与再利用。

Ball milling ball mill electric field pressure auxiliary sintering remanufacturing method and device

The invention provides a milling electric pressure assisted sintering titanium chip manufacturing method and apparatus, comprising the following steps: (1) Ti chip recycling pretreatment steps; (2) BM Ti processing chip; step (3) BM Ti chip FAPAS curing. The BM and FAPAS technology combined, from 2 Ti (ASTM Grade 2) chip of remanufacturing successful implementation of waste chip, preparation of bulk Ti material. Remanufacturing technology using BM FAPAS, which was prepared by ultra fine microstructure, but also realize the oxide dispersion, inhibiting the formation of metallurgical defects. In a similar oxygen level, strength better than remanufacturing Ti material 2 Ti commercial bar, and has a good isotropic, the invention of BM FAPAS remanufacturing technology to avoid the high-temperature melting, is a kind of low cost, high efficiency and clean metal resources recycling technology, and is especially suitable for reuse high smelting cost Ti resources recycling.

【技术实现步骤摘要】
一种钛切屑的球磨电场压力辅助烧结再制造方法与装置
本专利技术是属于金属材料加工领域，涉及废弃金属资源的固相循环与再利用，特别是针对高冶炼成本的钛资源，研发一种高效清洁的钛切屑再制造新技术，尤其涉及到一种废弃钛切屑的球磨-电场-压力辅助烧结再制造方法。
技术介绍
电场激发与压力辅助烧结(Field-activatedandpressure-assistedsintering,简称FAPAS)是近些年发展起来的一种新型烧结技术。其利用脉冲电场产生的焦耳热，并施加压力，在瞬时高温中实现烧结和致密的一体化。FAPAS技术具有加热均匀，升温速度快，烧结时间短，生产效率高等特点，其产物微观晶粒细小均匀，可有效制备高致密度的金属及其复合材料。FAPAS技术的专利技术对于实现材料的高效、低成本的制备具有重要意义，现已于金属间化合物、陶瓷及复合材料的制备，尤其对于低放热体系的反应合成以及难烧结材料更具独特的价值。通过对现有技术的文献检索发现，Hu等在《InternationalJournalofRefractoryMetalsandHardMaterials》2011年29卷第4期470-477页上发表“MicrostructureevolutionandwearpropertiesofbulkMoSi2fabricatedbyfield-activatedsintering(电场激发烧结制备块体MoSi2的微观组织演变及磨损特性)”一文中，提出从纯Mo和Si粉末原料出发，通过75kVA的脉冲直流电场，并在30MPa的压强作用下固化粉末，由FAPAS工艺制备出全致密化的块体MoSi2材料。该材料具有微米级晶粒组织和良好的高温耐磨性质。同时，Hu等在《JournalofAlloysandCompounds》2009年468卷第1-2期136-142页上发表“MicrostructuresanddensificationofMoSi2-SiCcompositebyfield-activatedandpressure-assistedcombustionsynthesis(电场激发与压力辅助燃烧合成块体MoSi2-SiC复合材料的微观组织及致密化)”一文，以纯Mo、Si粉以及超细C粉末为原材料，通过FAPAS技术成功制备出以SiC为第二相的全致密化块体MoSi2基复合材料。然而，目前尚未发现应用FAPAS技术实现废弃金属切屑循环与再制造的相关工作的报道。与此同时，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Ti、Al、V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Ti超细粉末，并经过放电等离子烧结成功获得块体Ti材，其含氧量(质量百分比)～0.25wt.％；屈服强度大于600MPa，实际具备4级(ASTMGrade4)的强度水平(500-600MPa)。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，可采用固相烧结方式。但是，Ti是一种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，若采用FAPAS技术直接处理Ti切屑，再制造Ti材中氧化物无法破碎、弥散，氧化物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。该技术问题目前尚未很好地解决。因此，我们有必要对这样一种结构进行改善，以克服上述缺陷。
技术实现思路
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(Ti)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。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。本专利技术的目的，是基于固相烧结的理念，研发一种针对高冶炼成本的Ti资源的环境友好型BM-FAPAS再制造技术，制备出全致密化、大尺寸的块体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：为高效、清洁地回收处理废弃Ti切屑，本专利技术提出BM-FAPAS技术以制备全致密化、大尺寸块体Ti材。技术方案如下：将BM与FAPAS工艺相结合，充分发挥其各自的技术优势，实现Ti切屑的循环与再制造。具体工序包括：Ti切屑回收预处理、Ti切屑BM处理、以及BM-Ti切屑的FAPAS固化。本专利技术技术方案的具体实施步骤：一种钛切屑的球磨电场压力辅助烧结再制造方法，包括如下步骤：步骤(1)-Ti切屑回收预处理：以端铣2级Ti(ASTMGrade2)所生成的切屑为原材料，搜集切屑后，采用电感耦合等离子体原子发射光谱(Inductivelycoupledplasmaatomicemissionspectroscopy，简称ICP-AES)分析其化学成分(质量百分比，wt.％)，分析结果如下：初始Ti切削(质量百分比，wt.％)O＝0.15，N＜0.01，C＜0.01，Fe＝0.10；由分析结果可知，经铣削加工的2级Ti切屑其化学成分(含氧量)符合ASTM标准范围；同时，采用99.9％的乙醇在超声波振动槽内清洗Ti切屑，以去除原材料中的油污和杂质等；步骤(2)-Ti切屑的BM加工：将由步骤(1)取得的Ti切屑置入钢制BM容器，切屑与钢球之间质量比为15:1；同时，加入1wt.％的硬脂酸作为过程控制剂，并将BM容器充入氩气作为保护氛围，以防止切屑在BM过程中过度氧化；行星式BM机器的转速为300rpm；BM运行总时长为15小时；在BM运行过程中，Ti切屑在钢球的撞击、搓碾下发生冷焊、硬化及破碎；通过BM加工，Ti切屑的外形尺寸及表面氧化物得以显著细化；同时，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1个小时将暂停12分钟；BM结束后，采用ICP-AES分析切屑的化学成分，分析结果如下：BM-Ti切削(质量百分比，wt.％)O＝0.17，N＜0.01，C＜0.22，Fe＝0.64，由分析结果可知，经BM加工的Ti切屑在氩气保护下，其氧含量仅略有上升(由0.15wt.％升至0.17wt.％)，而Fe本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钛切屑的球磨电场压力辅助烧结再制造方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤(1)‑Ti切屑回收预处理：以端铣2级Ti(ASTM Grade 2)所生成的切屑为原材料，搜集切屑后，采用电感耦合等离子体原子发射光谱(Inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy，简称ICP‑AES)分析其化学成分(质量百分比，wt.％)，分析结果如下：初始Ti切削(质量百分比，wt.％)O＝0.15，N＜0.01，C＜0.01，Fe＝0.10；由分析结果可知，经铣削加工的2级Ti切屑其化学成分(含氧量)符合ASTM标准范围；同时，采用99.9％的乙醇在超声波振动槽内清洗Ti切屑，以去除原材料中的油污和杂质等；步骤(2)‑Ti切屑的BM加工：将由步骤(1)取得的Ti切屑置入钢制BM容器，切屑与钢球

【技术特征摘要】
1.一种钛切屑的球磨电场压力辅助烧结再制造方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤(1)-Ti切屑回收预处理：以端铣2级Ti(ASTMGrade2)所生成的切屑为原材料，搜集切屑后，采用电感耦合等离子体原子发射光谱(Inductivelycoupledplasmaatomicemissionspectroscopy，简称ICP-AES)分析其化学成分(质量百分比，wt.％)，分析结果如下：初始Ti切削(质量百分比，wt.％)O＝0.15，N＜0.01，C＜0.01，Fe＝0.10；由分析结果可知，经铣削加工的2级Ti切屑其化学成分(含氧量)符合ASTM标准范围；同时，采用99.9％的乙醇在超声波振动槽内清洗Ti切屑，以去除原材料中的油污和杂质等；步骤(2)-Ti切屑的BM加工：将由步骤(1)取得的Ti切屑置入钢制BM容器，切屑与钢球之间质量比为15:1；同时，加入1wt.％的硬脂酸作为过程控制剂，并将BM容器充入氩气作为保护氛围，以防止切屑在BM过程中过度氧化；行星式BM机器的转速为300rpm；BM运行总时长为15小时；在BM运行过程中，Ti切屑在钢球的撞击、搓碾下发生冷焊、硬化及破碎；通过BM加工，Ti切屑的外形尺寸及表面氧化物得以显著细化；同时，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1个小时将暂停12分钟；BM结束后，采用ICP-AES分析切屑的化学成分，分析结果如下：BM-Ti切削(质量百分比，wt.％)O＝0.17，N＜0.01，C＜0.2...

【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