本发明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。尤其涉及到一种钛废弃切屑再制造的双缩径循环挤压固化方法。
背景技术：
：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，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。Peng等在《MaterialsScienceandEngineeringA》2009年516卷23-30页上发表“MicrostructureandmechanicalpropertiesofMg-10Gd-2Y-0.5Zralloyrecycledbycyclicextrusioncompression”(往复挤压循环Mg-10Gd-2Y-0.5Zr合金的微观组织与机械性质)一文，提出从Mg-10Gd-2Y-0.5Zr合金切屑出发，采用往复挤压制备块体合金超细材料，这种往复挤压的应变累积率和加工效率显著高于传统的缩径挤压技术。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。同时，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，将发生晶粒粗化，削弱材料强度。而且，传统热挤压技术在加工效率上尚需提高。以上技术问题尚未很好地解决。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。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，是基于固相再制造的理念，研发一种针对高冶炼成本的Ti资源的环境友好型双缩径循环挤压再制造技术，以克服现有技术存在的上述缺点，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。从而提出的一种钛废弃切屑再制造的双缩径循环挤压固化方法。本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：钛废弃切屑再制造的双缩径循环挤压固化方法，包括如下步骤：(1)Ti切屑回收预处理：清洗钛切屑，去除油污和杂质；(2)Ti切屑的BM处理：将步骤(1)预处理后的钛切屑进行球磨加工；(3)BM-Ti切屑的包套封装：将BM-Ti切屑装填至铜筒空腔中，再用手动压力机将切屑初步压实；(4)包套封装BM-Ti切屑的室温冷挤压：将步骤(3)包套封装BM-Ti切屑置入冷压模具通道，将含Ti切屑的冷压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；(5)双缩径循环挤压高温固化加工：用铠装电热毯包裹模具，加热至Ti的再结晶温度(～600℃)以下的某一水平(例如，570-600℃)，并由温度控制器稳定温度在±1℃的范围；针对步骤(4)得到的Ti切屑压坯，开展双缩径循环挤压高温固化加工，加工速率～10mm/min；在可编程逻辑控制器及液压换向阀的作用下，模具上下两个冲头可交替提供固化压力(0.9～1.0GPa)和背压力(～200MPa)；于是，挤压加工可连续累积多个道次。在正向挤压力和背压力的共同作用下，Ti切屑材料经历双缩径挤压；具体而言，将Ti切屑冷挤压坯置入模具的上部通道，上冲头提供挤压力；下冲头提供背压力，在压差的作用下，冷压坯被第一轮缩径挤压，切屑得以进一步固化；紧接着，由下冲头提供挤压力，上冲头提供背压力，冷压坯被第二轮缩径挤压，本发明共开展两轮缩径挤压，获得全致密化的块体再制造Ti材；(6)Ti材试样的顶出脱模：去掉上冲头，将纯铝伪试样放入模具下型腔，下冲头提供挤压力将由步骤(5)获得的再制造Ti材推出脱模；(7)淬火：将顶出步骤(6)中获得的块体Ti材通过水冷方式淬火冷却至室温。进一步的，步骤(1)中以端铣2级Ti所生成的切屑为原材料，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。进一步的，步骤(2)中，将步骤(1)预处理后的Ti切屑置入内含钢球的BM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。进一步的，所述Ti切屑与钢球之间质量比为12-20:1；所述钢球的直径为7-12mm，所述过程控制剂可选自硬脂酸和纯铁粉，优选硬脂酸；所述过程控制剂的加入量(质量百分比.wt％)在0.5-2wt％之间；惰性气体可以是氮气、氩气和氦气，优选氩气。进一步的，步骤(3)中，钢筒外包裹一层固体润滑剂，铜筒直径略小于往复挤模具上部通道直径，将钢筒-固体润滑剂置入冷压模具(其直径略小于往复挤模具上部通道的直径)，将BM-Ti切屑装填至钢筒空腔中，再用手动压力机将切屑初步压实；优选的，所述钢筒材质是经过退火处理的不锈钢，所述固体润滑剂可选用石墨纸和锡箔纸，优选石墨纸。进一步的，步骤(4)中，将包套封装BM-Ti切屑置入冷压模具通道，将含Ti切屑的冷压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～650MPa时停止预挤压。在本发明中，通过实施BM处理，切屑表面氧化物(TiO2)在钢球的碰撞、搓碾下得以完全的破碎。有效防止较大氧化物缺陷的连续性分布与聚集。在此基础上，实施双缩径循环挤压高温固化加工，将BM-Ti切屑固化成大尺寸块体Ti材。在同一副循环挤压模具内，通过上下冲头交替提供的正向挤压力和背压力，在正向挤压力和背压力的共同作用下，Ti切屑材料经历双缩径挤压，再通过纯铝伪试样顶出脱模，应变累积效率优于传统挤压技术。同时，本发明中工艺装置结构紧凑，加工迅捷。通过循环挤压实现切屑试样的全致密固化及顶出脱模，获取组织均匀的细晶材料，并彻底消除孔隙缺陷。由于挤压温度控制在Ti的再结晶温度(～600℃)以下，故相较于高温熔铸(～1200℃)或放电等离子烧结(～900℃)等其它技术，本发明中的双缩径循环挤压技术能够有效地抑制晶粒粗化，在最大程度上保留BM处理后的超细微观组织。利用该技术处理2级Ti(ASTMGrade2)切屑，获得含氧量～0.24wt％的块体纳米Ti材，其屈服强度约为550-600MPa。在近似2级Ti(ASTMGrade2)含氧量的水平上，再制造Ti材获得高于2级Ti商业棒材的屈服强度(300-350MPa)。本发明的优点在于：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，可采用固相处理方式。但是，在固相处理Ti切屑时，现有的ECAP和BM技术各有其局限。Ti易于氧化，其切屑表面氧化物以TiO2形式存在，质地坚韧，ECAP技术单道次加工的应变累积效率低。即使经多道次处理后，氧化物在一定程度上破碎、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。同时，ECAP加工存在细化极限，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。另一方面，尽管BM技术能有效制备超细粉体。但是，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，以及动态再结晶等的影响，将发生晶粒粗化，削弱材料强度。这些技术问题目前尚未很好地解决。在本发明中，首先通过BM技术处理Ti切屑。切屑表面的氧化物(TiO2)在钢球的碰撞、搓碾下充分破碎。然后，由双缩径循环挤压工艺在570-600℃下固化BM-Ti切屑。在同一副循环挤压模具内(如图1)，通过上下冲头交替提供的正向挤压力和背压力，在正向挤压力和背压力的共同作用下，Ti切屑材料经历双缩径挤压，再通过纯铝伪试样顶出脱模，应变累积效率优于传统挤压技术。同时，本发明中工艺装置结构紧凑，加工迅捷。通过循环挤压实现切屑试样的全致密固化及顶出脱模，获取组织均匀的细晶材料，并彻底消除孔隙缺陷。根据该方法，从2级Ti(ASTMGrade2)切屑出发，通过实施再制造，获得全致密化块体Ti材，其屈服强度约为550-600MPa，明显高于2级Ti商业棒材的屈服强度(300-350MPa)。本发明工艺操作简单实用，可控性强，加工效率高。通过实施BM处理，切屑表面氧化物(TiO2)在钢球的碰撞、搓碾下得以完全的破碎。有效防止较大氧化物缺陷的连续性分布与聚集。在此基础上，实施高温挤压固化加工，将BM-Ti切屑固化成大尺寸块体Ti材。在同一副循环挤压模具内(如图1)，通过上下冲头交替提供的正向挤压力和背压力，在正向挤压力和背压力的共同作用下，Ti切屑材料经历双缩径挤压，再通过纯铝伪试样顶出脱模，应变累积效率优于传统挤压技术。同时，本发明中工艺装置结构紧凑，加工迅捷。通过循环挤压实现切屑试样的全致密固化及顶出脱模，获取组织均匀的细晶材料，并彻底消除孔隙缺陷。由于挤压温度控制在Ti的再结晶温度(～600℃)以下，故相较于高温熔铸(～1200℃)或放电等离子烧结(～900℃)等其它技术，本发明的双缩径循环挤压技术能够有效地抑制晶粒粗化，在最大程度上保留BM处理后的超细微观组织。利用该技术处理2级Ti(ASTMGrade2)切屑，通过再制造，再生Ti材的强度高于2级Ti商业棒材。本发明是一种高效清洁的金属资源固相循环处理技术，其避免了高温熔铸，适用于开展以Ti为代表的高冶炼成本金属资源的回收与再制造。附图说明图1是本发明提出的钛废弃切屑再制造的双缩径循环挤压固化方法中双缩径循环挤压再制造工艺示意图。图中数字和字母所表示的相应部件名称：1、上冲头2、双缩径循环挤压模具3、Ti切屑冷压坯4、双缩径型腔5、下冲头6、纯铝伪试样7、循环挤压再制造T材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，本发明提出的钛废弃切屑再制造的双缩径循环挤压固化方法具体工序如下：Ti切屑回收预处理、Ti切屑的BM处理、BM-Ti切屑的包套封装、包套封装BM-Ti切屑的室温冷挤压、双缩径循环挤压高温固化加工、Ti材试样的顶出脱模和淬火工序。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.％)，分析结果如表1所示。由表1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处理：将由步骤(1)取得的Ti切屑置入钢制BM容器，切屑与钢球(直径10mm)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过程中，Ti切屑在钢球的撞击与搓碾下发生冷焊、硬化及破碎。通过BM加工，Ti切屑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分析切屑化学成分，结果如表1所示。由表1可知，经BM处理的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％)，而铁含量由0.10wt％升至0.64wt％，这是由于BM过程中钢球(及钢制容器壁面)被磨损并混入切屑所致。步骤(3)-BM-Ti切屑的包套封装：钢筒(材质：退火处理不锈钢)外包裹一层石墨纸(作为固体润滑剂)，所述圆筒直径略小于往复挤模具上部通道直径，将钢筒-固体润滑剂置入冷压模具(其直径略小于往复挤模具上部通道的直径)，将由步骤(2)获得的BM-Ti切屑装填至钢筒空腔中，再用手动压力机将切屑初步压实。步骤(4)-包套封装BM-Ti切屑的室温冷挤压：将包套封装BM-Ti切屑置入冷压模具通道，将含Ti切屑的冷压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～650MPa时停止预挤压。此步骤可进一步提高切屑的紧实度，防止BM-Ti切屑在高温固化中过度氧化。经阿基米德法(Archimedes)测定，室温预挤压的Ti切屑其相对密度>99.0％。步骤(5)-双缩径循环挤压高温固化加工：用铠装电热毯包裹模具，加热至Ti的再结晶温度(～600℃)以下的某一水平(例如，600℃)，并由温度控制器稳定温度在±1℃的范围。针对步骤(4)得到的Ti切屑压坯，开展双缩径循环挤压高温固化加工。加工速率～10mm/min。在可编程逻辑控制器及液压换向阀的作用下，模具上下两个冲头可交替提供固化压力(～1.0GPa)和背压力(～200MPa)。于是，挤压加工可连续累积多个道次。在正向挤压力和背压力的共同作用下，Ti切屑材料经历双缩径挤压。具体而言，将Ti切屑冷挤压坯置入模具的上部通道，上冲头提供挤压力。下冲头提供背压力，在压差的作用下，冷压坯被第一轮缩径挤压，切屑得以进一步固化。紧接着，由下冲头提供挤压力，上冲头提供背压力，冷压坯被第二轮缩径挤压，本发明共开展两轮缩径挤压，获得全致密化的块体再制造Ti材。在扫描电子显微镜下多点观察，未发现微观孔隙存在。通过阿基米德法测定，块体再制造Ti材的相对密度大于99.99％。采用ICP-AES分析Ti材化学成分，其结果如表1所示。由表1可知，经BM-ECAP再制造Ti材的氧含量由原始切屑的0.15wt％升至0.24wt％，仍近似于2级Ti(ASTMGrade2)的含氧量。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，发现再制造Ti材的屈服强度550-600MPa。步骤(6)-Ti材试样的顶出脱模步骤：去掉上冲头，将纯铝伪试样放入模具下型腔，下冲头提供挤压力将由步骤(5)获得的再制造Ti材推出脱模。步骤(7)-淬火：将顶出步骤(6)中获得的块体Ti材通过水冷方式淬火冷却至室温。表1是采用ICP-AES技术分析初始Ti切屑，BM处理(BM-Ti)切屑，及双缩径循环挤压再制造Ti材的化学成分。表1元素ONCFe初始Ti切屑(wt.％)0.15<0.01<0.010.10BM-Ti切屑(wt.％)0.17<0.010.220.64双缩径循环挤压Ti材(wt.％)0.240.020.26-本发明提供了一种Ti资源循环再利用的固相再制造方法。以废弃Ti切屑为原料，通过双缩径循环挤压技术，高效循环制备大尺寸块体Ti材。在本发明中，首先通过球磨(BM)技术处理Ti切屑。切屑表面的氧化物(TiO2)在钢球的碰撞、搓碾下破碎。然后，由双缩径循环挤压工艺在570-600℃下固化BM-Ti切屑。在同一副循环挤压模具内(如图1)，通过上下冲头交替提供的正向挤压力和背压力，在正向挤压力和背压力的共同作用下，Ti切屑材料经历双缩径挤压，再通过纯铝伪试样顶出脱模，应变累积效率优于传统挤压技术。同时，本发明中工艺装置结构紧凑，加工迅捷。通过循环挤压实现切屑试样的全致密固化及顶出脱模，获取组织均匀的细晶材料，并彻底消除孔隙缺陷。本发明的新颖性在于：本发明是通过回收废弃钛切屑，开发双缩径循环挤压新技术，用以实施固态循环与再制造，从而获得块体高强度钛材的一种技术方法。本发明的创造性在于：本发明创造性地将双缩径循环挤压与球磨相结合，成功应用于回收、处理废弃钛切屑，是一种新的钛资源固态循环与再制造方法，能够高效、清洁地将废弃钛切屑转变为块体高强度钛材。本发明的实用性在于：本发明实用可行，能够高效地再制造出块体钛材，并获得高强度。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。当前第1页1 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