一种钛切屑循环再制造的放电快速固结方法与装置与流程

本发明涉及金属材料加工领域，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。

背景技术：

目前，为固化粉体材料而研发的粉末冶金技术主要包括热压烧结(Hot-pressing sintering，简称HPS)，放电等离子烧结(Spark plasma sintering，简称SPS)，以及高压高温烧结(High-pressure and high-temperature sintering,简称HPHTS)等。HPS技术广泛应用于金属基复合材料的制备，例如，Lim等在《Wear》2003年255卷第4期629-637页上发表“Wear behaviour of SiCp-reinforced magnesium matrix composites(镁基SiC颗粒增强复合材料的磨损行为)”，以Mg，Al和SiC粉末为原料，在混粉均匀化后，施加100bar压力对混合粉体进行冷压；将冷压坯在350℃下预热30分钟，然后置入真空环境在450℃下烧结4h，并将烧结试样在350℃开展挤压以改善性能。

同时，SPS技术可用于陶瓷粉末的固化，例如，Bernard-Granger和Guizard在《Journal of Materials Research》2009年24卷第1期179-186页上发表“Densification mechanism involved during spark plasma sintering of a co-dopedα-alumina material:Part I.Formal sintering analysis(放电等离子烧结共混α-Al2O3材料的致密化机制：第I部分.烧结分析)”一文中，从α-Al2O3，CaO，以及TiO2共混粉末系出发，通过施加直流脉冲，在1200℃及50MPa压强下固化粉末，制备出全致密化的亚微米晶块体材料。

此外，作为新颖的粉末冶金技术，HPHTS已用于金属间化合物的制备。通过文献检索发现，Wang等在《Journal of Materials Research》2009年24卷第6期2089-2096页上发表“High-pressure and high-temperature sintering of nanostructured bulk NiAl materials(纳米块体NiAl材料的高压高温烧结)”，提出以NiAl纳米粉末为原料，经500℃下的真空去气预处理(1h)，再在1-5GPa压强及600-1500℃下烧结0.5-1h，并将烧结试样淬火至室温。由HPHTS工艺可制备出全致密化的块体纳米材料。

目前尚未发现通过粉末冶金技术一步实现废弃金属切屑循环与再制造的相关工作报道。

废弃金属切屑循环处理的传统技术是重熔+铸造。然而，高温熔铸存在能耗大、污染重、效率低的缺陷，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，现有的粉末冶金技术，工序步骤多，工艺(烧结)周期长。在长时间的高温固结过程中，Ti切屑将加剧氧化，导致微观组织中形成较严重的冶金缺陷，削弱材料性能。目前该技术问题尚未很好地解决。因此，急待研发一种操作简便的一步快速固结成形技术，以高效循环高冶炼成本的Ti切屑。

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。

技术实现要素：

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。本发明的目的，是基于高密度电流快速固结的原理，研发一种针对高冶炼成本Ti资源的快速再制造技术，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。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种钛切屑循环再制造的放电快速固结方法，包括如下步骤：

步骤(1)-Ti切削回收预处理：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；

步骤(2)-Ti切屑烘干去气：将由步骤(1)取得的Ti切屑放入烘箱，在60℃温度下干燥40min；

步骤(3)-Ti切屑的冷压预处理：将由步骤(2)取得的烘干Ti切屑置入石墨制成的圆筒形冷压模具(外径内径高度50mm)，将置入模具中的切屑进行冷压(50MPa)以制取压坯；

步骤(4)-Ti切屑冷压坯的高密度电流快速固结：将由步骤(3)取得的冷压Ti切屑压坯连同模具放入快速固结工艺装置；将含有压坯的模具放入固结装置的左右电极之间，将烧结室抽真空(残余压力～4Pa)，通过液压系统由模具的左右冲头施加200MPa的单轴压力，并施加高密度交流电流(350kA/cm2)对切屑进行固结，加热速率为150℃/s，首先将压坯升温至500℃，保温2min；再进一步加热至～1000℃，保温时间6min；固结完毕后试样自然冷却。

进一步的，所述钛切削循环再制造的放电快速固结装置包括筒形石墨模具，所述石墨模具内部设有一腔体，热电偶穿过石墨模具至腔体顶部，所述石墨模具左右两端均设有可移动的石墨冲头，左右两端的石墨冲头外部均连接有电极，所述电极与石墨冲头之间夹设有钢垫板，钛切削置于腔体内形成压坯。

进一步的，石墨模具内壁可垫有石墨纸。

采用99.9％浓度的乙醇在超声波振动槽内清洗Ti切削，可以在很大程度上去除油污和杂质，同时，由于采用的99.9％浓度的乙醇可以直接挥发，避免了油污杂志残存于Ti表面的情况。

电极与石墨冲头之间设有的钢垫板可以提升了工作效率。

本发明的优点在于：

本发明提出的Ti切屑高密度电流快速固结再制造方法，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，其适用于开展以Ti为代表的高冶炼成本金属资源的循环与再利用。

本发明利用高密度(350kA/cm2)电流产生的焦耳热，并施加单轴压力(～200MPa)，在电场、热场及力场的耦合作用下中实现固结和致密的一体化。具有升温速率大(～150℃/s)，固结压力大，以及固结周期短(8min)等技术特点。因此，本发明具有生产效率高，产物微观晶粒细小均匀等优点。采用本发明，由2级Ti(ASTM Grade 2)切屑再制造的块体Ti材其屈服强度(～420MPa)高于2级Ti商业棒材的屈服强度(300-350MPa)，对于高致密度再生金属材料的高效、低成本的制备具有较大价值。

附图说明

图1是本发明提出的一种钛切屑循环再制造的放电快速固结装置的结构示意图。

图2是本发明采用ICP-AES技术分析初始Ti切屑，以及高密度电流快速固结再制造Ti材的化学成分表。

图中数字和字母所表示的相应部件名称：

1、石墨模具 2、腔体 3、热电偶 4、石墨冲头 5、电极 6、钢垫板

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。

如图1所示，本发明提出的一种钛切屑循环再制造的放电快速固结方法，包括如下步骤：

步骤(1)-Ti切削回收预处理：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；

步骤(2)-Ti切屑烘干去气：将由步骤(1)取得的Ti切屑放入烘箱，在60℃温度下干燥40min；

步骤(3)-Ti切屑的冷压预处理：将由步骤(2)取得的烘干Ti切屑置入石墨制成的圆筒形冷压模具(外径内径高度50mm)，将置入模具中的切屑进行冷压(50MPa)以制取压坯；

步骤(4)-Ti切屑冷压坯的高密度电流快速固结：将由步骤(3)取得的冷压Ti切屑压坯连同模具放入快速固结工艺装置；将含有压坯的模具放入固结装置的左右电极之间，将烧结室抽真空(残余压力～4Pa)，通过液压系统由模具的左右冲头施加200MPa的单轴压力，并施加高密度交流电流(350kA/cm2)对切屑进行固结，加热速率为150℃/s，首先将压坯升温至500℃，保温2min；再进一步加热至～1000℃，保温时间6min；固结完毕后试样自然冷却。

进一步的，所述钛切削循环再制造的放电快速固结装置包括筒形石墨模具，所述石墨模具内部设有一腔体，热电偶穿过石墨模具至腔体顶部，所述石墨模具左右两端均设有可移动的石墨冲头，左右两端的石墨冲头外部均连接有电极，所述电极与石墨冲头之间夹设有钢垫板，钛切削置于腔体内形成压坯。

进一步的，石墨模具内壁可垫有石墨纸。

步骤(2)切屑烘干去气：将由步骤(1)取得的Ti切屑放入烘箱，在60℃温度下干燥40min。其目的在于：由于乙醇挥发性强，烘干之前已经消失，故此步骤主要目的是通过烘干去除切屑表面吸附的水蒸气

采用ICP-AES分析烧结试样的化学成分，分析结果如下：电流快速固结Ti材(质量百分比，wt.％)O＝0.16，N＜0.01，C＜0.01，Fe＝0得知高密度电流快速固结再制造Ti材的氧含量与原始切屑相比，仅上升0.01wt.％，而氮含量不变。化学成分符合2级Ti(ASTM Grade 2)的成分水平。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压缩实验，获得屈服强度～420MPa，即由2级Ti(ASTM Grade 2)切屑再制造的Ti材其强度高于2级Ti商业棒材的屈服强度(300-350MPa)。

本发明提出一种高密度电流快速固结技术，对废弃Ti切屑进行循环处理，制备出大尺寸、块体超细晶高强度Ti材。在本发明中，通过施加高密度电流(300kA/cm2)对切屑压坯进行升温。同时，施加单轴压力(200MPa)以促进切屑固化。本发明提出的快速固结技术的技术特征之一是加热速率高，在高密度电流的作用下，其加热速率高达150℃/s，远高于SPS技术的加热速率(4-5℃/s)，另一特征是固结迅速，在高温下(1000℃)总的保温停留时间仅为8分钟。通过快速固结，抑制固化过程中的晶粒粗化倾向，并在外加压力下闭合微观孔隙，实现再制造Ti材的全致密化。

本发明提出的高密度电流快速固结技术方案，克服了上述局限，并能实现发明目的中指出的技术效果。在本发明中，通过施加高密度电流(350kA/cm2)对切屑压坯进行升温。同时，施加单轴压力(～200MPa)以促进切屑固化。本发明提出的快速固结技术的一是加热速率高，在高密度电流的作用下，其加热速率高达150℃/s，远高于SPS技术的加热速率(4-5℃/s)，二是固结迅速，在高温下(1000℃)总的保温停留时间仅为8分钟。通过快速固结，抑制固化过程中的晶粒粗化倾向，并在外加压力下闭合微观孔隙，实现再制造Ti材的全致密化。能够高效地再制造出细晶Ti材。

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。