硬质合金先进技术

硬质合金先进技术（精选5篇）

硬质合金先进技术 第1篇

2013年是中国超硬材料发展五十周年,经过这五十年的努力,中国已经成为了世界超硬材料生产大国,人造金刚石产量位居世界第一,2012年产量占全球产量的90%,金刚石应用领域不断扩大,超硬材料制品逐步接近或达到国际先进水平。超硬材料的发展,压机大型化、合成工艺技术的进步起了关键作用,而作为高压合成腔体不可替代的硬质合金顶锤,其生产技术的持续创新也成就了中国超硬材料产业今日的辉煌。

伴随着超硬材料行业的发展历程,顶锤材料在相当一段时间内维持中细晶粒8%Co的材质不变,而支撑顶锤使用寿命不断提高的重要因素,是硬质合金新工艺技术应用于顶锤生产制造上的结果。顶锤生产企业陆续引进了冷等静压技术、新的湿磨工艺、压制工艺,采用了低压烧结等硬质合金先进技术,对产品制造中的缺陷进行了重点控制,产品质量和稳定性得到很大提高。

目前,大规格六面顶锤已经主导了中国超硬材料合成腔体市场,细晶、亚微细晶硬质合金也成为了顶锤新材料发展的重要方向,其抗压强度、抗弯强度有了大幅提升,同时随着硬质合金先进技术引入到新材料顶锤的生产工艺上,使新材料大顶锤实际应用效果达到相当高的水平,金刚石生产锤耗已控制在<1kg /万克拉,最好效果为0.15～0.3kg /万克拉。

本文对硬质合金先进技术在大规格顶锤产品上的应用进行总结,特别是针对细晶、亚微细晶硬质合金大顶缍高性能的保障技术,重点分析其发展趋势。

2 硬质合金先进技术在顶锤上的应用

硬质合金生产的工艺流程中,混合料制备、压制成型、烧结是三个主要工序。可倾式滚动球磨、搅拌球磨、喷雾干燥,冷等静压,低压烧结、脱蜡烧结一体化等硬质合金整套先进技术已成熟应用于数控刀片、球齿、棒材等高性能、高精度、小规格的产品上,而对于大规格硬质合金顶锤的制备,还未系统应用,大部分厂家现采用的工艺路线为:流程1、流程2,见图1、图2。

流程1:原料经湿磨后过滤料浆、干燥生产出湿磨料,石蜡成型剂加入湿磨料中干燥、制粒得到所需的混合料,再压制,烧结。流程2:原料在球磨机中湿磨,卸料前1小时加入熔融石蜡,卸下的料浆在双圆锥干燥器内干燥,干燥好的混合料冷却至室温,经均匀化处理后压制、烧结。

这些厂家顶锤制备所用的设备和技术,相同的是湿磨机已全面采用可倾式球磨机,球磨效率高、控制精准,保证了湿磨工艺精确执行,质量稳定;成型剂均采用石蜡,在脱蜡过程中残碳少,易脱出;混合料采用机械擦筛制粒使之均匀化;烧结均采用真空-热等静压烧结炉。不同的是,成型剂的加入方式;压制是否用冷等静压;脱蜡、烧结是分段还是一体。他们在以上工艺流程中部分采用了硬质合金先进技术,并根据顶锤制备的特点,结合各自的装备和技术进行控制,各有诀窍,均取得了较好的效果。

3 细晶、亚微细晶硬质合金大顶锤高性能的保障技术

尽管大规格细晶、亚微细晶顶锤已达实用阶段,但还是存在一些异常顶锤,导致在金刚石合成过程中出现较低寿命的失效,造成较高价值的损失。超硬材料行业资深专家方啸虎教授在与业内知名专家讨论时指出,目前异常顶锤主要存在的问题是:①晶粒普遍长大,造成组织结构不均匀,内部应力过大;②由于当前采用了超亚细粉,比表面积明显增大,其优点是压制得好时,织构非常好,顶锤寿命明显提高,但若压制不好时,则容易形成若干孔洞,这也是致命伤害;③也因为超亚细粉,合金粉原料的比表面积加大,则很容易增加吸附能力,这样在合金烧结过程中就非常容易脏化[3]。

对以上问题进行分析,可以推断:大规格、细晶粒顶锤制造过程中的缺陷,如因成型剂分散不均匀或者脱除不彻底、烧结时碳和氧含量控制不当而引起晶粒长大、组织结构不均匀,压制密度不好而引起的孔洞,人为操作、设备和环境造成合金脏化等,都可能导致异常顶锤的出现。如何控制细晶、亚微细晶硬质合金顶锤的微观结构,减少缺陷,提高顶锤在线生产的受控程度,进一步提高质量的稳定性,是我们如何将硬质合金先进技术在顶锤制造中有效应用的重要课题,也是我们保障新材料高性能的一致性、解决异常顶锤问题的重要途径。

为实现我们的目标,根据细晶粒、亚微细晶粒顶锤的技术现状,借鉴数控刀片、球齿、棒材生产工艺技术系统应用的经验,将硬质合金先进制造技术整套体系引入大顶锤的生产中是非常必要的。工艺流程见图3。

在这一技术体系中,特别是混合料喷雾干燥以及脱蜡烧结一体-低压烧结的先进技术,能使大型顶锤的生产工艺提质换代,整体控制水平得到大幅提升,工艺流程缩短,人为影响因素减少,生产环境大为改善,资源能源消耗降低,更加适合细晶、亚微细晶粒顶锤质量过程控制。

3.1 混合料喷雾干燥

合金质量在很大程度上取决于混合料的质量。湿磨+机械制粒生产工艺,设备简单, 但工序较长, 干燥与制粒需由两个工序分开完成, 物料易氧化、脏化, 而且生产自动化水平低,产量低, 所生产的混合料质量较差。湿磨+喷雾干燥生产工艺,投资大, 设备复杂, 但生产自动化水平高, 整个干燥流程都在密闭状态下进行,能对密闭设备的氧含量进行实时监控, 从而确保混合料的氧含量在允许范围内,生产出的混合料流动性能好, 松装密度稳定, 粒度分布均匀, 产量大, 能满足高质量、高性能、大批量硬质合金生产的需要[4]。在先进的混合料制备工艺中还可利用矫顽磁力Hc、钴磁Com与合金的化学成分、晶粒度、碳含量之间的可比关系对混合料进行检测,这大大强化了对混合料的质量控制[5],从而可确保细晶、亚细晶硬质合金混合料的质量及合金的性能。

湿磨+喷雾干燥生产工艺虽然在数控刀片、球齿、棒材、轧辊等产品上应用,并取得了很好的效果,但应用于顶锤大体积实心体,又是细晶粒材料,混合料的压制性能必须得到充分保证。

3.1.1 成型剂的选择

石蜡的优点是既适于喷雾干燥,也适于一般混合器掺蜡制粒,其纯度高,易于脱除,残碳低;缺点是不与酒精相溶,且在干燥时容易偏析,造成合金产生脏化孔和结构不均匀,压坯强度低,复杂形状的产品难成型,混合料的压制性能受温度影响较大。为适应酒精作为湿磨介质的湿磨+喷雾干燥顶锤料体系,可以采用一种新型成型剂,它具有溶解于酒精的特性,与硬质合金原料一起在酒精湿磨介质中混合,达到分子级均匀分散,得到的料浆黏度低,适合喷雾干燥,制备的混合料细而软,流动性好。以株洲硬质合金集团有限公司(下称株硬集团)为例,新成型剂的喷雾料能够直接模压或冷等静压压制超细晶顶锤,压制压力低,分层单重大;新成型剂灰分低、增碳少,可适用于一体式脱胶烧结工艺,制备的合金微观组织结构均匀[6],是制造顶锤的理想成型剂。

3.1.2 混合料粒度及组成的控制

运用喷雾干燥过程的控制手段,控制料浆黏度、喷嘴大小、喷雾温度及压力等参数,可使顶锤混合料的松装密度及粒度组成满足顶锤压制要求,并且达到每批料及各批次之间的基本均匀,使混合料的压制性能得到量化、稳定的控制。图4～图6为株硬集团生产的顶锤喷雾料的松装密度、粉末形貌及压坯断口形貌。

3.2 压制成形

等静压成形是制备大规格尺寸压坯最好的成形方式。它能有效地减少压坯内部孔隙, 使烧结后的合金组织结构致密、均匀, 从而提高合金的抗断裂强度和使用寿命[7]。早在1996年,株硬集团就率先采用了模压+冷等静压复压处理的工艺压制大规格顶锤,对提高压坯密度及其均匀性及消除顶锤内部缺陷起了较好的作用。采用喷雾料后,稳定、均匀、流动性好的不同批次混合料,其振实密度可基本保持不变,为混合料直接冷等静压、提高压坯尺寸控制精度、减少加工量提供了工业化推广的条件。

3.3 一体式脱蜡烧结-低压烧结工艺

真空-热等静压烧结在顶锤生产中已经普及,目前硬质合金生产中最先进的气压烧结炉是将硬质合金的脱除成型剂、烧结、热等静压功能集中于一体、生产时一次完成的烧结设备,其非常适合对碳量控制要求非常严格的低钴细晶粒硬质合金的烧结。在超细棒材的生产中,大多采用此种烧结炉,而行业内其他厂家生产顶锤所用的压力烧结炉,一般不带脱蜡功能。有的厂家采取先在钟罩炉中脱蜡再转入压力烧结炉中加压烧结的方法,由于脱蜡预烧温度低,半成品强度差,大顶锤不易搬运,同时产品脱蜡后若未及时烧结极易增氧,不利于细晶粒顶锤的碳量控制,甚至造成脱碳;有的厂家则先用多气氛真空烧结炉将顶锤脱蜡、真空烧结后,再用压力烧结炉加压烧结的方法。虽然最终均采用了压力烧结,但相对而言,脱除成型剂、烧结、热等静压一次完成的工艺,流程短,效率高,人为影响因素少,碳量控制更稳定,结构更均匀。

虽然一体式气压烧结炉在小产品上成功应用,但对于大规格、细晶粒顶锤的脱蜡烧结,要保证成型剂完全脱除及碳量控制均匀,工艺研究就必须非常细致。以株硬集团为例,基本思路是以新成型剂的热分析曲线(图7)为基础,根据烧结炉低温温场的数据,对脱蜡烧结工艺进行试验,通过脱蜡过程的实时监控和产品分析结果,进行试验调整,最终得出了在微正压氢气气氛条件下,阶梯式升温、保温[8]较理想的细晶粒、大规格顶锤的脱蜡烧结工艺,其成型剂的脱除效率高,产品不起皮,碳量控制精度很高,顶锤烧结后的合金钴磁值偏差可控制在小于0.3%的范围。图8为成型剂脱除时管道的温度和压力实时监控截图。

先进的技术,除了包含先进的设备以外,配套的精细、量化的过程控制更是稳定和提高产品质量的保证。随着硬质合金先进技术体系的有效应用,大规格、细晶粒顶锤制造过程中的缺陷,如晶粒长大、组织结构不均匀、孔洞、合金脏化等问题,将会进一步减少甚至消除。

4 株硬集团高性能顶锤介绍

株硬集团依托硬质合金国家重点实验室,近几年在顶锤材质和制造工艺研究方面取得了较好的成果。研制的细晶粒牌号YL20.5、YL20.6(硬度HRA≥90.5,抗弯强度≥3400MPa,WC晶粒度为0.8～1.0μm,金相结构见图9、图10),亚微细晶粒牌号系列(硬度HRA≥91.5,抗弯强度≥3300MPa,抗压强度5100～5800MPa,WC晶粒度0.6～0.8μm,SEM照片见图11)等产品,与中细晶粒YL20.4牌号顶锤相比,晶粒细而均匀,硬度高,强度高,更适合用于大腔体及较高合成压力的合成,在细晶粒顶锤的制造过程中,硬质合金先进技术的应用,为减少异常顶锤的出现提供了保障。

5 结论

随着硬质合金先进技术的应用,大规格顶锤的使用寿命已达到了相当高的水平,满足了金刚石行业目前的使用需求。在超硬材料产业快速发展的前提下,合成大腔体的继续发展和已有腔体的“挖潜”,对细晶粒大规格顶锤的材质和顶锤质量的稳定性提出了更高的要求,硬质合金先进技术的系统运用,是保障顶锤质量的发展趋势。

参考文献

[1]高新亮.亚微米硬质合金顶锤的研制[J].超硬材料工程,2010,22(1).

[2]周旭峰.硬质合金大规格顶锤缺陷消除的研究[D].工程硕士论文,2004.

[3]方啸虎.合成超硬材料用硬质合金顶锤的探索[J].磨料磨具,2010(12).

[4]崔佳娜.硬质合金混合料的湿磨-喷雾干燥生产工艺及设备[J].稀有金属与硬质合金,2010,38(2).

[5]徐涛.湿磨-喷雾干燥工艺混合料生产中的质量控制及其特点[J].硬质合金,2000,17(4).

[6]孟小卫.新型硬质合金成型剂应用研究[J].硬质合金,2011,28(3).

[7]吴恩熙.硬质合金大规格顶锤成型工艺的研究[J].硬质合金,2005,22(3).

铝及铝合金的先进焊接工艺 第2篇

针对铝合金焊接的难点,近些年来提出了几种新工艺,在交通、航天、航空等行业得到了一定应用,几种新工艺可以很好地解决铝合金焊接的难点,焊后接头性能良好,并可以对以前焊接性不好或不可焊的铝合金进行焊接，1 铝合金的搅拌摩擦焊接搅拌摩擦焊 FSW( Friction Stir Welding) 是由英国焊接研究所 TWI ( The WeldingInstitute) 1991 年提出的新的固态塑性连接工艺[1～2 ] 。其工作原理是用一种特殊形式的搅拌头插入工件待焊部位,通过搅拌头高速旋转与工件间的搅拌摩擦,摩擦产生热使该部位金属处于热塑性状态,并在搅拌头的压力作用下从其前端向后部塑性流动,从而使焊件压焊在一起。由于搅拌摩擦焊过程中不存在金属的熔化,是一种固态连接过程,故焊接时不存在熔焊的各种缺陷,可以焊接用熔焊方法难以焊接的有色金属材料,如铝及高强铝合金、铜合金、钛合金以及异种材料、复合材料焊接等。目前搅拌摩擦焊在铝合金的焊接方面研究应用较多。已经成功地进行了搅拌摩擦焊接的铝合金包括 系列(Al- Cu) 、5000 系列(Al - Mg) 、6000 系列(Al - Mg - Si) 、7000 系列(Al - Zn) 、8000 系列(Al - Li) 等。国外已经进入工业化生产阶段,在挪威已经应用此技术焊接快艇上长为20m 的结构件,美国洛克希德·马丁航空航天公司用该项技术焊接了铝合金储存液氧的低温容器火箭结构件。铝合金搅拌摩擦焊焊缝是经过塑性变形和动态再结晶而形成,焊缝区晶粒细化,无熔焊的树枝晶,组织细密,热影响区较熔化焊时窄,无合金元素烧损、裂纹和气孔等缺陷,综合性能良好。与传统熔焊方法相比,它无飞溅、烟尘,不需要添加焊丝和保护气体,接头性能良好。由于是固相焊接工艺,加热温度低,焊接热影响区显微组织变化小,如亚稳定相基本保持不变,这对于热处理强化铝合金及沉淀强化铝合金非常有利。焊后的残余应力和变形非常小,对于薄板铝合金焊后基本不变形。与普通摩擦焊相比,它可不受轴类零件的限制,可焊接直焊缝、角焊缝。传统焊接工艺焊接铝合金要求对表面进行去除氧化膜,并在 48 h 内进行加工,而搅拌摩擦焊工艺只要在焊前去除油污即可,并对装配要求不高。并且搅拌摩擦焊比熔化焊节省能源、污染小。搅拌摩擦焊铝合金也存在一定的缺点:①铝合金搅拌摩擦焊接时速度低于熔化焊;②焊件夹持要求高,焊接过程中对焊件要求加一定的压力,反面要求有垫板;③焊后端头形成一个搅拌头残留的孔洞,一般需要补焊上或机械切除;④搅拌头适应性差,不同厚度铝合金板材要求不同结构的搅拌头,且搅拌头磨损快;⑤工艺还不成熟,目前限于结构简单的构件,如平直的结构、圆形结构，

搅拌摩擦焊工艺参数简单,主要有搅拌头的旋转速度、搅拌头的移动速度、对焊件的压力及搅拌头的尺寸等。2 铝合金的激光焊接铝及铝合金激光焊接技术(Laser Welding) 是近十几年来发展起来的一项新技术,与传统焊接工艺相比,它具有功能强、可靠性高、无需真空条件及效率高等特点。其功率密度大、热输入总量低、同等热输入量熔深大、热影响区小、焊接变形小、速度高、易于工业自动化等优点,特别对热处理铝合金有较大的应用优势。可提高加工速度并极大地降低热输入,从而可提高生产效率,改善焊接质量。在焊接高强度大厚度铝合金时,传统的焊接方法根本不可能单道焊透,而激光深熔焊时形成大深度的匙孔,发生匙孔效应,则可以得到实现。激光焊接铝合金有以下优点:①能量密度高,热输入低,热变形量小,熔化区和热影响区窄而熔深大;②冷却速度高而得到微细焊缝组织,接头性能良好;③与接触焊相比,激光焊不用电极,所以减少了工时和成本;④不需要电子束焊时的真空气氛,且保护气和压力可选择,被焊工件的形状不受电磁影响,不产生 X 射线;⑤可对密闭透明物体内部金属材料进行焊接;⑥激光可用光导纤维进行远距离的传输,从而使工艺适应性好,配合计算机和机械手,可实现焊接过程的自动化与精密控制。现在应用的激光器主要是 CO2 和 YAG 激光器,CO2 激光器功率大,对于要求大功率的厚板焊接比较适合。但铝合金表面对 CO2 激光束的吸收率比较小,在焊接过程中造成大量的能量损失。YAG 激光一般功率比较小,铝合金表面对 YAG 激光束的吸收率相对 CO2 激光较大,可用光导纤维传导,适应性强,工艺安排简单等。在焊接大厚度铝合金时,传统的焊接方法根本不可能单道焊透,而激光深熔焊时形成大深度的匙孔,发生匙孔效应,则可以得到实现。 铝及铝合金的激光焊接难点在于铝及铝合金对辐射能的吸收很弱,对 CO2 激光束(波长为 10. 6μm) 表面初始吸收率 1. 7 %;对 YAG 激光束(波长为 1. 06 μm)吸收率接近5 %。图 5 为不同金属对激光的吸收率。比较复杂,高频引弧时引起电极烧损和电弧摆动,起弧后稳定性不强,同时在电弧的高温状态下,电极迅速烧损。但激光与等离子弧复合可明显提高熔深和焊接速度。

硬质合金先进技术 第3篇

钛合金的密度低,比强度高,具有较高的热强性和持久强度,对在振动载荷及冲击载荷作用下的裂纹扩展敏感度低,耐蚀性能优良,在航空发动机的风扇以及压气机的叶片、盘、机匣等部位获得了重要应用[1,2,3,4]。发动机的推力和推重比是发动机设计的重要参数。为了提高发动机的推力和推重比,除改进发动机的整体设计外,发展和采用先进的轻质高性能材料与高结构效率的整体、轻量化结构是目前主要的发展趋势。国外相继研发了一系列先进制造技术,现已获得广泛应用以及正在开发的航空发动机钛合金关键部件主要包括钛合金风扇、钛合金整体叶盘、整体叶环、连续纤维增强钛基复合材料叶片和钛合金机匣等。涉及的先进制造技术包括超塑性成形/扩散连接、线性摩擦焊、等温锻造、电子束焊接、精密铸造和精密锻造。这些结构及制造技术的组合应用获得了极好的效果,对V2500、Trent800、Trent900、F-119、EJ200等先进航空发动机的成功制备起到了关键的支撑作用,并将在下一代大推力、高推重比先进发动机的开发中发挥更为重要的作用[5,6,7,8,9,10,11,12]。

1 钛合金宽弦风扇叶片的设计及制造技术

风扇叶片是涡扇发动机最具代表性的重要部件。20世纪60年代,钛合金风扇叶片已经在航空发动机中获得应用,这个时期风扇叶片的特点可归结为以下几点:带凸肩、窄弦、实心结构[5,6]。凸肩又称为阻尼凸台或减振凸台,其结构特征为在风扇叶片上距叶尖约1/3的位置有向两侧伸出的凸台,叶片之间的凸肩相互抵紧形成一个加强环,该设计对增加叶片刚性和自振频率有明显的作用。数十年的应用表明,这种具有凸肩的实心钛合金风扇叶片具有很高的可靠性。叶片的加工主要是通过精密锻造制坯,然后经过多道机加工序得到成品叶片。为了满足高效高负荷高裕度风扇和压气机性能要求,低展弦比的宽弦叶片设计技术得到推广应用。但从性能、强度和工艺等方面来看,带凸肩的实心风扇叶片已经不能适应这种需求,主要有以下几种原因:(1)气流流过凸肩处会产生分离,使气动效率降低;(2)宽弦实心叶片质量过大,带来一系列强度问题;(3)叶片的加工工艺性不好,制造成本过高。为了克服这些问题并适应现代航空发动机的需要,空心结构宽弦叶片应运而生,现在宽弦空心风扇叶片已成为涡扇发动机的标志性技术之一[8,9,10,11]。

1.1 第一代宽弦无凸肩风扇叶片设计及制造技术

风扇宽弦空心叶片的研究工作自钛合金风扇叶片应用之初就已经开始。20世纪80年代初,英国罗-罗(R·R)公司首先成功开发出了新型宽弦、无凸肩、夹芯结构的钛合金风扇叶片,即第一代宽弦空心风扇叶片[9]。这种叶片由2块钛合金面板(分别是叶盆和叶背)和1块蜂窝芯板经过专用的活性扩散连接工艺加工而成。2块面板由钛合金锻坯机加后获得,首先经热蠕变成形,然后采用化铣的方法加工出空腔。蜂窝夹芯块是用钛箔轧成波形后经电阻焊焊成。叶片的最终型面由数控铣切加工获得。这种弦长比原来增加约40%的宽弦风扇叶片在质量和结构完整性两个方面实现了良好的结合。其优点是:由于采用宽弦设计,风扇转子叶片数量减少了1/3;转子质量减轻了10%～30%;与带阻尼凸台相比,蜂窝芯结构具有更优的减振特性;与窄弦风扇叶片相比,叶栅通道面积加大,级效率提高,喘振裕度变宽,寿命延长。这一代风扇叶片首先应用在RB211-535E4发动机上,后又在V2500、RB211-524G、RB211-524H和BR710等发动机上得到应用[5,9]。这些发动机在服役过程中遭受了多次飞鸟撞击事件,最严重的也仅需更换叶片即可,从未发生过鸟撞而导致的安全事故,证明了这种宽弦风扇叶片的结构设计和制造技术的成功。图1为V2500发动机的钛合金风扇叶片。

1.2 第二代宽弦空心风扇叶片的设计及制造技术

在第一代宽弦叶片的基础上,20世纪80年代末90年代初,R·R、PW、GE、SNECMA 等多家公司成功地开发了超塑成形/扩散连接的钛合金宽弦空心风扇叶片,称为第二代宽弦空心风扇叶片[5,9]。

R·R公司开发的第二代宽弦空心风扇叶片有3层结构,采用钛合金的超塑成形/扩散连接(SPF/DB)组合工艺制成[10,11]。叶片芯部与第一代宽弦风扇叶片内部的蜂窝芯板结构不同,采用的是三角形桁架结构,这种结构常在建筑上使用。这种三角形桁架结构具有轻质、承力大的优点,并且叶片质量比蜂窝芯叶片轻约15%。其工艺流程是:先在中间芯板上按设定喷涂止焊剂,然后将面板与芯板焊接封边(留有进气口)后放入与叶片型面相同的模具内并连同模具一起放入压机内加热。升温至SPF/DB温度后,先向模腔内吹入一定压力的氩气保温保压使预定部位进行扩散连接(DB),连接完成后再向层板内腔吹入氩气进行超塑成形(SPF),两层面板在超塑成形状态下变形至所需外形,中间芯板形成格形结构。最终的叶片由取出零件进行表面化铣,最后数控加工出叶根和叶型边缘,得到宽弦空心风扇叶片。该种叶片已经用于B777和A330飞机的“Trent”发动机上,气动设计和制造技术均处于当今世界领先水平。

美国普-惠(PW)公司研制的PW4000系列涡扇发动机的风扇,早期由38片带有凸肩的钛台金窄弦实心叶片构成。PW4084是在PW4000系列基础上研制的增推型发动机,风扇直径增大到2.84m,为了满足发动机对风扇的质量和性能要求,风扇叶片的设计吸取了R·R公司的先进设计经验,改为宽弦无凸肩的空心结构,叶片数量减少到22片。但PW的叶片制造工艺不同于R·R公司,采用的是超塑成形和扩散连接两种独立工艺,而不是超塑成形/扩散连接的一种组合工艺。PW4084风扇叶片的制造过程为:由精锻或其它方式首先制得钛合金叶片坯料,采用铣削的方式加工成两半对称的无芯带肋扁平叶身,然后将两半扁平叶身面对面放入模具内,送入真空炉中施加高温高压进行扩散焊,得到质量均匀无缺陷的叶片毛坯,再应用超塑成形工艺使叶片成形。其工序是将已经扩散连接好的扁平叶坯放入与叶片最终形状相同的模具内,加热至超塑成形状态,在重力及叶片内部吹入氩气的作用下超塑性变形使叶片完全贴模,成形所需气动外形的叶片毛坯,最后数控加工出叶根和叶型。PW公司在研制PW4084发动机的过程中还采用了并行工程的方式,建立起用于包括风扇叶片制造在内的计算机辅助设计、辅助制造的数据系统。

用第二代宽弦空心风扇叶片由于具有气动性能先进、抗振能力较强、质量较轻、加工成本较低等特点,到目前为止,应用第二代宽弦空心风扇叶片制造技术发展的先进大推力、高涵道比发动机的代表包括R·R公司为满足A380而设计的三转子发动机Trent 900(见图2)及PW和GE公司联合成立的发动机联盟公司为A380设计的GP7200发动机。这两种发动机的钛合金风扇叶片都采用空心后掠结构,其制备方法为扩散连接、超塑性成型,类似的技术还用于JSF战斗机的升力风扇及F414、F119、F135、F136 等小涵道比涡扇发动机的风扇叶片的制造上[5,9]。

1.3 钛基复合材料宽弦风扇叶片设计及制造技术

新一代航空航天飞行器结构设计中“选择强化”的设计思想导致出现钛基复合材料——钛合金混杂结构。SiC连续纤维增强的钛基复合材料由于其良好的界面性能及高强、高模量成为新型发动机用部件制备研究开发的重点[12,13,14,15,16]。连续纤维不仅可以提高材料的高温强度和刚度,还可以提高其韧性。这种连续SiC纤维增强的钛基复合材料宽弦风扇叶片,称之为第三代宽弦风扇叶片,PW公司正联合其它一些公司进行相关的研究[5,9]。这是一种刚度更高、质量更轻、耐撞击的空心风扇叶片,可使发动机风扇再减轻约14%。日本进行了SiC(SCS-6)/Ti-15-3实心压气机叶片的研究。

钛基复合材料风扇叶片的制造过程是:首先将制取SiC纤维预制带,其基本方法是将单方向排列的钛丝与SiC纤维编制成纤维布,然后采用叠箔法将钛合金箔和纤维布间隔叠放,按照叶片不同部位的厚度要求确定叠放层数,然后用热等静压法进行SiC纤维预制带的扩散连接。第二步将钛合金和SiC预制带制成TMC楔型面板,经检验合格后,按风扇叶片要求的叠层排序制备叶片毛坯组件,最后采用SPF/DB工艺成形出宽弦空心叶片。

2 钛合金整体叶盘和叶环的设计及制造技术

2.1 钛合金整体叶盘的设计及制造技术

航空燃气涡轮发动机的压气机及风扇转子叶片通常均用其叶身下的榫头装入轮盘轮缘的榫槽中,再用锁紧装置将叶片锁定于轮盘中。20世纪80年代中期,在航空发动机结构设计方面出现了一种称之为“整体叶盘”或简称“叶盘”(Blisk)的结构。整体叶盘结构是将传统结构的叶片和轮盘设计成整体结构,省去传统连接方式采用的榫头、榫槽和锁紧装置,结构质量减轻、零件数减少,避免了榫头的气流损失,使发动机整体结构大为简化,推重比和可靠性明显提高。据报道,采用整体叶盘可使发动机质量减轻20%～30%,效率提高5%～10%,零件数量减少50%以上。目前在一些新研制的发动机中整体叶盘得到采用[5,6,7,11,13],例如EJ200(用于欧洲战斗机EF2000的发动机)中,三级风扇与高压压气机第一级采用了整体叶盘; GE公司的F414(用于美国海军F/A-18的最新改进型F/A-18E/F)中风扇的2、3级及高压压气机前三级采用了整体叶盘;F-22用的F119发动机,其三级风扇、六级高压压气机全部采用了整体叶盘,有的F119压气机转子也采用ALLOY-C型阻燃钛合金整体叶盘;民用的高涵道比涡轮风扇发动机BR715的增压压气机采用了整体叶盘。另外在一些改进的发动机如F110的延寿型F110-GE-129R中,三级风扇全部改为整体叶盘;F100的延寿型F100-PW-229A三级风扇中的2、3级改用了整体叶盘等。目前,制造整体叶盘主要有以下几种技术。

精密锻造制坯。精密锻造技术已成为高性能发动机广泛采用的制坯方法。国外已经大量采用等温锻造技术制造带叶片的压气机整体叶盘转子,并批量生产各种尺寸的叶身无余量精锻叶片。国内近几年在钛合金发动机钛合金部件的精密锻造制坯方面进展迅速,掌握了钛合金整体叶盘等温锻造关键技术,实现了精锻叶片的工业化生产,并在钛合金双性能盘的制备加工方面有所突破[17,18,19,20,21,22]。图3为英国Doncasters公司生产的钛合金精锻叶片。图4为国内等温锻造的钛合金整体叶盘坯。

电子束焊接法。电子束焊接在航空发动机压气机转子组件的制备过程中早已获得广泛应用[23],不过用于整体叶盘的制造则是近年来才开始的。EJ200发动机中的整体叶盘制造就采用了这种方法[7],其基本过程是先将单个叶片用电子束焊接成叶片环,然后用电子束焊接技术将锻造和电解加工成形的轮盘腹板与叶片环焊接成整体叶盘结构。这种整体叶盘结构比传统的榫头连接的叶盘转子结构质量减轻30%,并且可以彻底消除掉榫槽断裂的危险。

五坐标计算机数控加工或电解加工技术。以前认为五坐标数控铣床只适合于铣削加工小型整体叶盘,但R·R公司在加工直径较大、叶片数多的BR715风扇后增压压气机整体叶盘时也采用了这种加工方法,其生产率很高,大致用20多个小时可加工一件叶盘。将电解加工与数控技术相结合的数控电解加工技术特别适合航空发动机中大而薄、刚性差的钛合金风扇叶片等壳体件, 为整体叶盘的制造提供了一种具有快速响应能力的优质、高效、低成本新型加工技术[5,7,24]。电化学加工方法在GE公司得到广泛应用,不仅多种型号发动机的整体叶盘采用了电化学加工方法,燃烧室机匣也采用这一方法加工安装凸台。电化学加工的优点在于:大幅度减少铣削加工的刀具消耗;缩短加工工时,不会有加工残余应力及大的应力集中区等。

线性摩擦焊接(Liner friction welding,LFW)法。线性摩擦焊是一种固态连接技术,类似于扩散连接。线性摩擦焊与扩散连接的不同之处在于:在扩散连接中,连接的工件是在加热炉中达到高温的;而在线性摩擦焊中,工件的高温是通过两配合面间的相互高频振荡摩擦产生的。用线性摩擦焊将叶片焊接在轮盘上,可节省大量叶片的连接件和结构重量。基本过程是:先将叶片夹紧在轮缘的叶根上,然后在设备的驱动下使轮盘周向高速振动,在轮盘叶根和叶片界面产生一个窄的摩擦加热区,当加热区的温度达到要求的温度时即停止振动,在一定压力下叶片与轮盘固定直至固结在一起。这种方法要比用实体毛坯加工更加经济,EJ200 发动机的3级低压压气机的整体叶盘是线性摩擦焊接技术成功应用的标志[6,9,13,25]。目前R·R公司和 MTU公司已用 LFW技术成功地制造了宽弦风扇整体叶盘,并将为JSF(联合攻击机)的发动机提供LFW整体叶盘。R·R 公司为JSF用的升力风扇发动机生产整体叶盘的风扇转子(该转子是目前世界上最大的整体叶盘,其外径为1.27m) 时, 采用整体锻坯用五坐标数控铣床加工, 坯料质量为840kg, 加工后成品件质量为97.6kg, 即材料损耗高达88%;而采用线性摩擦焊时, 焊接后铣去的材料不多, 并且还可缩短加工时间。用LFW技术可从发动机上更换掉被鸟撞损坏的叶片,也可用LFW技术将叶片与用不同材料制造的轮盘焊接在一起,以获得最佳的减重效果。

2.2 钛合金整体叶环的设计及制造技术

为了减轻发动机压气机钛合金盘件的质量,世界知名的航空发动机设计与制造商在发展钛合金整体叶盘的基础上,利用连续纤维增强钛基复合材料密度低、强度高、高温性能好、刚度大等优点,进一步发展了钛基复合材料整体叶环。由于去掉了轮盘部分,加之较轻的支撑结构、较低的轴承载荷或较小的陀螺力矩使整体叶环质量大大减轻[7,13]。图5为钛合金整体叶盘及整体叶环结构示意图。

美国在20世纪80年代就开始了压气机整体叶环的研究工作。20世纪90年代初,IHPTET 计划中 XTC-16 系列核心机压气机的第3和第4级采用SiC纤维增强的钛基复合材料整体叶环,大大减轻了转子质量,如第3级整体叶环转子质量只有4.5kg左右,而同样的镍基合金转子质量为25kg。欧洲4国从20世纪90年代开始研究高强度、大刚性、小密度的SiC纤维增强的钛合金复合材料的整体叶环转子。德国MTU公司研究的SiC纤维增强钛基复合材料整体叶环,已经完成了低循环疲劳旋转试验,计划将其应用到EJ200改进型发动机的前2 级高压压气机上。法国SNECMA 公司也采用基体涂覆纤维的方法制造了SiC纤维增强的钛合金基复合材料压气机整体叶环插件。20世纪90年代中期,与GE公司合作研制的ATEGG验证机XTC76/2 核心机5级高压压气机采用外圈增强的钛基复合材料的压气机转子,满足了高转速和高温的要求,降低了制造成本并且提高了可维护性。日本在1993年启动的先进材料燃气发生器(AMG)研制计划中,采用热压和热等静压方法加工了高压压气机钛基复合材料整体叶环,并成功地完成了破裂试验和循环寿命旋转地坑试验,验证了其破裂强度和目标寿命。在1999年启动的下一代超声速运输机环保推进系统研制(ESPR)计划下,日本开发并验证了采用基体涂覆单丝带工艺加工的碳化硅纤维(SCS-6)增强的钛基(SP-700)复合材料风扇整体叶环转子。

纤维增强钛基复合材料部件的制备方法主要有两种:一种是叠箔法,在合金箔板之间排列铺放单向纤维束制成叠层板,然后用扩散连接方法将叠层板固结成整体构件;另一种方法是按要求采用在表面涂有基体金属的单根长丝制成长丝缠绕结构,然后用扩散连接方法将长丝缠绕的结构固结成整体构件。目前正在研究的整体叶环结构制造技术是一种用单长丝缠绕金属基复合材料结构的制造技术[11,16]。用单根长丝增强的钛基复合材料制造的整体叶环是用直径约为140μm、长度为10km以上的SiC连续长丝在钛合金基体上缠绕成形而成。长纤维束排列铺放已经实现计算机控制的自动铺放,专用的纤维束自动铺放机可以把单根或多根纤维束材料缠绕在旋转芯轴上,也可将多根纤维束在张力近乎为零的情况下直接铺放到模具表面。用连续单根SiC长丝增强的钛合金金属基复合材料制造的压气机整体叶环转子相比常规的钛合金叶环结构可以减少70%的转动质量,而且可以提高高温性能。目前,国外多家结构正在原型发动机上对SiC纤维增强的钛基复合材料部件的性能进行评估。另外,在IHPTET计划第2阶段中的新核心机压气机上将采用高温钛合金Ti1100钛合金代替Ti6Al4V制造整体叶环,而压气机静子将采用TiAl金属间化合物制造,由此可使耐热性能提高到700～800℃,减轻50%的结构质量,同时不易着火。Ti1100钛合金整体叶环结构的制造技术尚未见资料报道,估计采用锻坯加多坐标数控加工电解加工技术制造[13]。

可以预见,这种连选纤维增强的钛基复合材料在21世纪高推重比、高性能发动机中的应用具有很大潜力,可以大幅度提高发动机的性能;未来发动机的低压压气机叶片和静子叶片、压气机整体叶环以及压气机机匣也将广泛采用这种复合材料制造[11,16,26]。

3 钛合金机匣的精密成形设计及制造技术

航空发动机中的钛合金机匣主要包括风扇机匣、中介机匣及压气机机匣。所涉及的精密成形技术主要包括精密铸造、精密塑性成形和粉末成形。精密铸造技术已经在国外许多大型薄壁机匣件的制造中获得应用。CFM-569、CF6-80、F110-X发动机的风扇机匣,RB199、P8W2037、F100发动机的中介机匣,T700、P8W4000、CFM-56发动机的压气机机匣都使用了钛合金精铸件。F100发动机的整个发动机用了25种,130多个 Ti-6Al-4V精铸件,用以取代原来的钢制零件,使每个发动机质量减少14kg。目前,大型复杂的发动机中间机匣式风扇框架基本采用Ti-6Al-4V及Ti6242精铸件。

目前高性能的钛合金大型整体精铸件大多数都是采用真空电弧熔炼(VAM)或感应凝壳熔炼(ISM)+熔模精密铸造的方法,并采用金属面层陶瓷型壳或氧化物面层陶瓷型壳浇注。美国PCC公司为GE90发动机风扇轮毂制造的钛合金精铸件的尺寸为:直径2 m,铸造尺寸公差可达±0.13mm,最小壁厚达1.0～2.0mm。目前我国中小型铸件的研制技术已达到国际先进水平,在精密铸造所涉及的型壳制造、凝固与充型等理论及模拟研究、热等静压等方面都具有良好的基础,大型复杂精铸件的研制技术也日趋成熟,已能够生产出最大1m 的大型薄壁复杂铸件[27,28,29,30,31,32,33,34,35]。不过总体看大型涡扇发动机的中介机匣精密铸造、焊接及加工技术还有待于深入研究。

模锻与轧制是制造钛合金机匣环件的传统方法,为了提高材料利用率、组织性能均匀稳定性及流线的完整性,精密等温锻造和精密轧制获得应用。国内最近也在多种型号发动机的机匣制造中采用了等温锻造的方法[36]。粉末成形技术是目前正在开发的一种机匣制备技术,在ADAM DARP 的近净成形热等静压演示项目中,法国Aubert & Duval公司采用粉末成形的方式为R-R公司的V2500发动机的压气机机匣制造出钛合金。

4 结束语

据预测,我国未来20年,仅150座级干线就需要约800架客机,加上其他用途的大型飞机,军民共需用大涵道比涡扇发动机约2750台,总价值达3000亿元左右。我国航空动力行业与世界先进水平相比,差距仍然较大,尤其在大涵道比涡扇发动机技术方面,基础非常薄弱,技术储备缺乏,大量关键技术尚未突破和掌握,没有工程经验,材料尤其是工艺差距很大,试验设备不配套,短期内完全自行研发出先进的大涵道比涡扇发动机困难很大。但是,研制大型飞机及其发动机是国家在新世纪作出的具有重大战略意义的决策。国家已经把大型飞机列为重大专项工程,而且要求最终配装具有自主知识产权的大涵道比涡扇发动机,这是必须实现的国家战略目标。发动机是飞机的心脏,大涵道比涡扇发动机是自主研制大型飞机的关键,发动机技术不突破,就无法掌握大型飞机研制的主动权。

钛合金宽弦风扇、整体叶盘和整体叶环及机匣制备技术是我国新型高性能航空发动机开发所必需掌握的关键技术,基于这种状况,我们应当尽早安排计划,进行相关的攻关研究,加以突破。

摘要：钛合金具有优异的各项性能,在航空发动机的关键部件中得到了重要应用。通过介绍世界知名飞机发动机制造公司的钛合金宽弦风扇叶片设计及制造技术、钛合金整体叶盘和叶环设计及制造技术以及钛合金机匣精密成型设计及制造技术的发展现状,指出钛合金宽弦风扇及整体叶盘、整体叶环制备技术和钛合金机匣精密成型技术是我国新型高性能航空发动机开发所必需掌握的关键技术,应当尽早突破。

铝合金门窗技术交底 第4篇

工程名称

交底部位

断桥铝合金门窗安装

工程编号

日期

2021-3-18

交底内容：

一、材料准备：

断桥隔热铝合金成品门窗框、扇、玻璃固定片连接件、膨胀螺栓、聚胺脂发泡材料、（5＋12A＋5）净白中空玻璃、卫生间为磨砂玻璃。

二、主要机具：

冲击电锤、手电钻、十字螺丝刀、曲线锯、橡皮锤、线坠、靠尺板、合尺、直角尺、墨线、直线等。

三、作业条件：

1、检查水平控制线（1m线），保证同一楼层的水平控制线一致。

2、验收门窗洞口尺寸、高、宽尺寸允许偏差为5mm，并应符合设计要求，如有影响门窗安装的问题应及时进行处理。

3、按预先弹好的垂线对窗洞口进行分中线，验收上下洞口中线允许偏差为5mm。

4、外门窗立于结构墙中。（含保温）。

5、钢附框安装并通过校正完成后，副框与剪力墙间隙用发泡胶填实处理。

门窗缩尺：

1、单窗附框制作尺寸面砖墙面为标准洞口尺寸宽减（40）mm、高减（）（30）（）mm;安装（居中放置）。

2、飘窗附框制作尺寸：高按洞口尺寸减去（30）mm，宽为从外挑板结构面往里返（）（40）（）mm安装。墙面附框距剪力墙墙留15mm3、阳台窗：外阳台钢付框单洞口窗为标准洞口尺寸宽减（40）mm、高减（）（30）（）mm;安装（居中放置）。拐角阳台窗为标准洞口尺寸宽按结构墙（含保温）居中放置、高减（）（30）（）mm;安装。墙面附框距剪力墙墙留15mm。

4、安装石材部位窗洞口缩尺同上做法。

5、附框焊接要求满焊，打磨并刷防锈漆做防腐处理。

6、阳台侧窗高度同正面窗高度一致。

7、石材墙面深槽部位的两侧墙垛为满足干挂石材厚度的需要，宽度调整为145mm。

四、验收进场门窗的品种、规格、开启形式应符合设计要求。

并且有产品出厂合格证,(备注材料要求见主要材料表)。

五、技术及施工要点：

1、门窗框外侧为钢副框，钢副框与墙体间隙及缩尺详见门窗安装节点图。

2、门窗框及钢副框与洞口墙体的连接固定应符合下列要求：

①钢副框直接与墙面用8*80、8*100、的尼龙膨胀螺栓固定。

②第一个固定件距框四角的距离不大于200mm，其余固定点的间距不大于500mm.。

3、门窗与钢副框每边间隙均为4mm，采用大于4*25自攻螺钉固定。角距不大于200mm，间距不大于600mm。

4、五金配件的安装应保证各种配件和零件齐全，装配牢固、使用灵活，安全可靠、达到应有的功能要求。

5、玻璃的安装应符合下列要求：

①玻璃承重垫块的材质、尺寸、安装位置应符合设计要求。

表C13

01

技术交底记录

工程名称

交底部位

断桥铝合金门窗安装

工程编号

日期

2021-3-18

②玻璃安装就位时，应先清除镶嵌槽内的灰砂和杂物，疏通排水通道。

六、质量标准：

1、使用的材料符合设计要求及相关的国家标准，铝材符合GB5327-2021《铝合金型材》中规定。

2、门窗框安装必须按安装牢固，并应开关灵活，关闭严密。

3、门窗配件型号、规格、数量符合设计要求，安装牢固、位置正确、功能满足使用要求。

4、门窗验收按照国家标准《建筑装饰装修工程质量验收规范》（GB50210－2021）

5、检查项目

成品范围

安装允许偏差

门窗槽口宽度、高度

1500mm

1.5

1500mm

门窗槽口对角线长度

2021mm

＞2021mm

门窗框的正、侧面垂直度

2.5

门窗横框的标高

门窗横框的水平度

门窗竖向偏离中心

双层门窗内外框间距

推拉门窗扇与框搭接量

1.5

七、成品保护：

1、门窗进入现场后应在室内竖直摆放，产品和材料不能放置在杂物堆放处。

2、门窗框必须用保护薄膜保护，以防止水泥沙浆，灰水、喷涂材料等污损门窗表面。

3、其它装修工序不得破坏门窗表面。

4、进行焊接作业时，必须采取有效措施，防止电焊火花损坏周围的门窗型材，玻璃、附件等材料。

禁止人员采踏门窗，不得在门窗框架上安放脚手架、悬挂重物，经常出入的门窗洞口，应及时用木版材料将框保护好，严禁将重物从门窗框上拉过、重压。其它专业注意保护门窗。

表C13

02

技术交底记录

工程名称

交底部位

断桥铝合金门窗安装

工程编号

日期

2021-3-18

八、安全技术措施

1.安装人员进入施工现场必须正确佩带安全帽，穿防滑的工作鞋。

高空室外安装铝合金门窗必须要有安全网、护身栏等防护措施，高空作业必须系好安全带。

交底内容：

2.搬运玻璃前首先检查玻璃是否有裂纹，特别要注意暗裂，确认完好后才能搬运。

3.搬运玻璃时必须戴手套、穿长袖衫，玻璃要竖向，以防止玻璃锐边割手。

4.手电钻、冲击电钻等必须遵守现行国家标准《手持电动工具的管理、使用、检查、和维修安全技术规格》（GB3787）是的规定，确保使用安全。

5.焊接机械的使用必须符合《施工现场临时用电安全技术规范》（JGJ46），注意电焊火花的防火安全。

6.高处安装玻璃时应稳妥放置，其垂直下方不得有人。风力五级以上难以控制玻璃时，就停止搬运和安装玻璃。

技术负责人：

交底人：

交接人：

硬质合金先进技术 第5篇

硬质合金一般是由难熔金属钨的碳化物和粘结金属经粉末冶金方法制成的具有高硬度、高抗弯强度的材料,其在机械制造、矿山开采、交通运输、能源勘探、建筑装饰等领域得到了广泛的应用[1,2,3,4]。然而难熔金属钨和稀有金属钴是世界上公认的极为重要的战略元素,对提高国家经济、军事竞争力具有非常重要的影响[5]。我国虽是钨资源大国,但由于长期过度滥采、管理混乱,中国的钨矿资源已濒临枯竭。更令人担忧的是我国钴资源极为短缺,每年要靠大量进口来维持需要,这些都极大程度上威胁到了硬质合金产业的可持续发展[6,7]。目前,全球超过50%的钨资源用于制造硬质合金, 而废旧硬质合金中的钨含量就已经达到74%~91%,中国每年消费钨金属约2.7万t,如果回收率能达到40%,对于建立资源保障体系及促进循环经济发展意义重大[8,9]。

近年来硬质合金的回收再利用及其产业化越来越受到国际上的重视,据报道,山特维克每年利用废旧合金料生产的硬质合金产品占总产量的1/3以上,日本日立工具公司、 日本钨业等均在日本本土范围内大力拓展废旧硬质合金的回收再利用业务。而我国在废硬质合金方面的回收工作起步较晚,国内企业对钨资源的回收利用整体意识不足,以致在早期的回收工作中,钨资源的回收利用率较低,且再生合金质量档次较低[10,11]。由于硬质合金硬度高、密度大,且难溶于强酸、强碱等特点,如何使硬质相与粘结金属分离是回收利用工艺所要解决的第一步也是关键的一步[12]。目前应用于工业化的硬质合金再生方法有十几种,按工艺复杂程度可分为长流程和短流程。长流程方法主要包括硝石法[13]、硫酸钠熔炼法[14]、氯化法[15]、无机酸浸出法[16]等,这些方法大都包括湿法冶金和复杂化学处理,使得其过程较为繁杂,经济效益较差[17]。目前人们更加青睐于使用短流程工艺回收硬质合金,其中应用于国内外的短流程工艺主要包括高温处理法、机械破碎法、锌熔法、电化学法和氧化还原法。近年来,国内外学者对短流程的回收工艺的优化和装配的改进做了大量的研究工作,并且随着回收经验 及其装配 的日趋成 熟,这些工艺的局限性也越来越小。本文就这些回收工艺路线及装备进行综述,对各方法的优缺点进行阐述,并对短流程回收硬质合金研究进行展望,旨在让读者对硬质合金短流程回收技术有全面的把握,为后续研究提供新思路。

1 硬质合金短流程回收技术的主要方法

1.1 高温处理法

高温处理法是通过对硬质合金进行高温加热(高出烧结温度)的同时通入保护性气氛,硬质合金的体积因粘结相金属钴的熔解沸腾而发生膨胀,呈现疏松多孔的蜂窝结构后, 合金的破碎加工变得极为容易,再通过合理的破碎和研磨, 就可以得到和合金组分相同的复合粉末。该方法最早为原苏联采用,日本新金属公司利用高温处理法处理YG系列及YW系列合金,年产量可达80t[12]。在高温处理过程中,废硬质合金中原先所含的微量其它金属和非金属杂质部分挥发及有害气体得到了有效清除,合金中出现大量的液相,原子的扩散加剧,WC的溶解-析出作用增强,WC晶粒长粗长大,晶粒缺陷得到了有效的削减,相应地改善了后期再生合金的结构和提高了合金的性能。

株洲硬质合金厂陈芃等[18]将废合金顶锤在2000 ℃进行高温处理,保温2h,制取了YG8HT和YG20HT合金,并将它们与正常的YG8C和YG20C合金进行了性能和使用效果的对比,结果表明应用高温处理法得到的再生硬质合金的性能基本上与正常合金的性能相接近(如表1所示)。

熊文林[19]对高温处理法进行了更加细致的研究,将平均晶粒度为0.82μm的废硬质合金(钴含量7.5%)放入中频炉中进行高温处理,处理温度变化范围为1500~2300 ℃,处理时间为1~6h,得到的WC晶粒变化如图1所示。

熊文林通过数据分析得出,当处理温 度在1500 ℃ 时, WC晶粒几乎不长大,但温度低于1600 ℃时,作为粘结金属的钴液化沸腾不完全,合金结构没有松散,不易破碎,不适宜制备再生硬质合金。而当处理温度高于2200 ℃时,虽然随着温度的升高WC晶粒不断长粗,但合金中 的液相明 显增多,Co相挥发增大,不仅加大了钴的损失,并且合金易与设备舟皿熔为一体,加大了从舟皿中清理出合金粉的难度,还使得合金粉中易混入石墨等杂质,继而影响再生硬质合金的质量。当高温处理时间长于5h后,处理时间的延长对WC晶粒度的增大作用并不明显,反而能耗随时间的延长不断增加。所以生产者应该根据所需再生产品WC晶粒的大小,把高温处理的温度控制在1600~2200 ℃之间,时间应控制在2~5h内。

该方法具有工艺流程短、设备配套简单、回收的硬质合金混合料比较清洁、对环境的污染程度小的优点,但存在着能耗高、高温阶段钴挥发损耗、回收料只适合作粗晶碳化钨合金的劣势。

1.2 机械破碎法

机械破碎法是一种较为简单的回收方法,它不改变硬质合金废料的化学组成也无需对钨和钴进行分离,只需先将硬质合金废料手工或机械破碎到200目左右后再装入球磨机湿磨一定时间,即可得到与硬质合金废料成分相同的合金混合料。最早利用机械破碎法回收的产品牌号杂成分乱,机械破碎或手工破碎使得物料易脏化,在球磨过程中易带入较高含量的Fe元素,混合料的氧含量较高,同时破碎效率极低, 研磨时间过长(需500h左右),而且破碎难于达到要求的细度,以致利用该方法生产的硬质合金产品质量较差,并且高钴合金强度高,不易于破碎,从而限制该方法在实际生产中的应用。

方兴建[20]为提高破碎效率,对废合金进行前处理,即在1800~1900 ℃ 下向合金 中加入炭 黑 (总碳量的6.13% ~ 6.20%,质量分数),处于易破碎的过载碳状态的合金由于强度下降而变得易于破碎,再经过球磨等常规硬质合金生产工艺制得再生硬质合金。该方法提高了合金的纯度,减少了破碎的时间,相对锌熔法而言节约了电能,节省了成本。为解决机械破碎法容易混入杂质影响再生制品的问题,苏华[21]通过分析各种回收的废旧硬质合金的成分和含量,制成一系列相同成分及含量的合金衬板、合金锤、内衬和磨球。一旦确定回收生产过程中废料的成分,就把各制成的零件装配到破碎机中使用。合金锤和合金衬板为复合式,破碎机合金锤和合金衬板的基体材料为高锰钢或中锰钢或高铬铸铁或低合盘钢,其表层为60~120mm厚的硬质合金块,其结构如图2所示。把得到的成分和含量相同的制造破碎机的合金衬板和合金锤装配到破碎机中,用破碎机把清洗干净的废旧硬质合金零件破碎成合金粉末,将其磨成浆料,干燥浆料后,就制得了硬质合金粉末。这种方法不但可以保证合金粉碎过程中不被其它杂质所污染,而且可以得到与回收废料相同成分和含量的粉末,加工效率高、生产的产品纯度也很高,并有利于降低生产成本,形成规模效益。

总之,利用机械破碎法回收高品质硬质合金,除需要丰富的回收经验、技巧和良好的破碎及磨料设备外,还需精准的分析技术、硬质合金性能测试装置和混合料烧结时对其碳平衡的严格控制及对收缩率、WC结晶完整性的清晰认识等。

1.3 锌熔法

锌熔法是在约900 ℃下,在废旧硬质合金中加入锌使其粘结相钴与锌形成锌钴合金,待合金熔散后在一定温度下经真空蒸馏除锌处理,形成海绵状合金块,再将其破碎并研磨成原料粉末,最后按常规工艺制取再生硬质合金产品[22]。在我国最早的锌熔炉大部分采用上收锌法,这种锌熔炉每炉装量50kg左右,收锌时间长达9个多小时,且不能一次达到回收标准,整个生产周期40~48h,每吨合格锌熔料耗电6000 kW·h以上,生产效率低、耗能大,并且易出现冒槽现象,增加了设备的维修成本[23]。而20世纪80年代美国真空工业公司就制造了卧式锌熔炉,每炉装料681kg,生产周期30h, 产品含锌量小于50×10-6,能耗不大于4000kW·h/t[24]。 由此之后,国内学者对废残硬质合金回收产业技术落后现状也开始有了清醒的认识,朱建平等[25]为克服上收锌法的一些弊端,设计了一种下收式锌熔炉,其结构如图3所示。这种结构的炉子采用外罩直冷法,冷却时间直接缩短至5h就可出炉。由于装配了5个舟皿进行装料,在进行熔炼时,锌溶液与合金的接触面积极大地增加,每次合金的熔透率均达到了95%以上,除此之外收锌时的蒸发面积也增大了4倍,只有微量的锌会循环蒸发结晶,使收锌时间保持在5h左右。 也就是说锌含量在0.03%以下时,每生产1t的合格锌熔料, 其电能消耗在4000kW·h以下,能耗降低了30%以上。下收式炉体虽具备低能耗、大面积蒸锌、工作周期短等优点,但同时存在由于炉体尺寸小、收锌室与熔锌室分体等结构造成的每炉产量小、每炉使用前需将收锌室中因上一炉回收的大块锌料破碎分体等缺点。

袁美和等[26]为克服上收锌炉和下收锌炉存在的问题,设计了一种一拖二式锌熔炉,其结构如图4所示,主要包含炉体、收尘器、水液收尘器、真空泵,其中采用三通管连接炉体和真空泵,而收尘器与炉体和真空泵之间采用波纹管连接, 炉体内自上而下依次是收锌坩埚、过渡坩埚、锌熔坩埚、提锌坩埚,且收锌坩埚位于抽锌室内,炉体外套有加热罩。这种结构使得生产周期缩短了12h以上,每炉只需18~20h,每炉产量可达100kg,耗电量降低1/3,含锌量能稳定控制在0.02%以下,操作简便易行。

欧文·保罗·比勒菲尔德等[27]也针对普遍采用的下收锌炉存在的不足和缺陷,设计了一种卧式锌熔炉,其壳体内部由冷却室和加热室组成,而加热室由加热器、锌熔舟、隔热保温箱体组成,冷却室内设有采用水冷的板状热交换器的冷却器和装有硬质合金的回收舟,熔锌舟和回收舟通过管道相通,其示意图如图5所示。由于锌熔 舟和回收 舟有管道 相通,在可控制的真空度条件下,在一炉处理完后,将蒸锌后的锌熔舟内的WC和Co回收料进行卸料并装好待处理废旧料后作为回收舟进入冷却室,而将原来回收舟内装好的废旧料和经过上一炉锌挥发的锌料作为锌 熔舟进入 加热室加 热。 这种设计使得工作效率高,生产成本低,操作简便,每一炉产量可达1t,能耗约3000kW·h/t,回收料质量稳定,残锌量少。

锌熔法具有应用广泛,流程短,技术成熟等特点,该法常用于回收低含量、高夹杂残废料,回收料中含有的锌、铁、硅、 硫、钙、铝、钛等杂质元素会残留于WC-Co合金中,造成再生合金使用性能与原生WC-Co硬质合金相比明显弱化,如何有效提升设备,降低生产费用和能耗,降低或消除废旧硬质合金回收料中的少量残留杂质对再生WC-Co硬质合金性能的负面影响,成为锌熔法再生WC-Co硬质合金价值提升的有利途径。

1.4 电化学法

电化学法是指通过选用恰当的浸取液,通过外加电场的作用使得废旧硬质合金中的金属钴溶解在浸取液中,再将除去金属钴的废旧硬质合金骨架清洗后破碎研磨,从而得到再生碳化钨粉末,同时对溶解的钴粉进行回收再利用,将回收的WC粉末配钴制成新的硬质合金产品。

张立等[28]将电化学回收WC骨架(未破碎料)、重碳化后的电化学回收WC粉末以及原生WC粉末进行了对比,发现用电化学法处理废旧硬质合金时,其中钴的溶解并不完全, 导致回收料中存在明显的大块骨架未 被碎料完 全,回收的WC粉末也存在着明显的成分和粒度的不均匀。他们还为提高电化学法回收碳化钨粉末质量提出了一些建议:需对废合金进行严格分类来提高回收料中碳化钨的纯度;为使合金中的钴能够完全溶解,应该严格地控制在电解过程中的废旧硬质合金的尺寸及其工艺参数;为了最大程度地降低杂质元素对合金强度产生的不利影响,提升硬质合金的稳定性,应该在硬质合金的湿磨过程中加入适量的合金净化剂。通过与原生粉末的对比和相图分析,最终认为电熔法比锌熔法回收碳化钨粉末的质量改进与升级空间较大。

赵万军等[29]将电解法回收的碳化钨粉和钴粉经高能球磨后,采用真空烧结方式在1400 ℃烧结成再生硬质合金,对其微观组织分析得出,再生WC有着完整的结晶外形,形状多为棱角圆滑的三角形和长条形,而再生钴粉的利用对合金的性能有不利影响,再生Co粉因多为树枝编结状,并不符合硬质合金生产用钴粉的标准。通过扫描电镜对3种合金的断口形貌进行观察,发现合金形成断裂源的缺陷种类主要是孔洞和夹杂,通过对这些断裂源进行能谱分析,发现再生合金中存在比普通YG合金更加明显的脏化,这些元素主要是O、Al、Ca、S、Cl。因此他建议将废合金进行严格的区分、除杂、清洗,避免造成物料成分混杂。

回收料中的杂质含量较高是电化学法和锌熔法共同的缺点[24],如表2所示。为得到优良的晶粒结构和低夹杂的再生碳化钨粉末,谭翠丽等[30]将适量的废旧硬质合金通电熔解,得到了碳化钨粒料,再以磁选、破碎等方法初步提纯碳化钨得到粉末,将碳化钨粉放在1000 ℃的炉子中,并通入大量的的空气进行高温氧化,从而得到氧化钨粒料。将氧化钨粒料浸泡在质量浓度为35%的NaOH溶液中,保持溶液的温度在160 ℃、时间4~6h,搅拌,得到含可溶性钨离子的粗钨酸钠溶液,使残存的Co、Ni、Fe等杂质离子发生水合沉淀,反应式为:

再将pH值调节到1~3.5,然后加入 体积分数 分别为20%的P2O4(二-磷酸酯)和80%的磺化煤油进行萃取,使钼、 铝、钙、锌、铁、铜等杂质逐一分离,从而得到高纯度的钨酸钠溶液。将钨酸钠溶液的pH值配成2.5,加入由体积分数分别为10%正三辛胺和90%煤油组成的有机相,再一次进行萃取,把液相和有机相分离,并保留有机相。在保留的有机相中,加氨水搅拌、蒸发,得到高纯度的仲钨酸氨结晶。经过煅烧得到氧化钨粉末,使用有机胺作为还原剂还原氧化钨粉末,制得金属钨粉。最后进行渗碳处理,将钨粉放在密封渗碳箱中,保持渗碳箱的温度在1000℃,保温100min,最终制得了优质碳化钨粉末。该方法得到的再生碳化钨粉末性能不亚于通过矿物制得的原生碳化钨,且具有较高回收效率。

在电解过程中由于钴镍被溶解后覆盖于碳化钨表面形成阳极钝化,从而阻碍了电解过程的发生,人们在电解装置上也做了很多改进,为了及时剥离废硬质合金表面,柴立元等[31]设计了一种钛转鼓阳极,其结构如图6所示,电化学溶解过程中,钛板转筒1作为阳极,铜棒3作为阴极。随着转鼓的转动,合金废料会被搅动,使其表面形成的碳化钨层剥落并通过钛板转筒1上的圆孔4掉入装有电解质的电解槽中。钛转筒阳极能在一定程度上通过转动剥离形成的碳化钨层,但该装置由于钛板量大,设备成本高,并且转动强度受限,废合金在转动过程中对钛板转筒1形成一定的冲击,造成电极使用寿命短,而且转筒电极结构复杂,不利于实现工业大规模生产。后来人们又设计了一种以振动板代替转筒的电解装置,即将打有圆孔的钛板水平放置于电解槽内,将废硬质合金置于该钛板上。这种设计能在一定程度上将结构简化,但其振动强度依然不足以使碳化钨层彻底剥离,且生产过程中会产生极大的噪音。

张雪云等[32]为解决阳极钝化给生产过程造成的不利影响,采用电解槽内电化学溶解与槽外机械球磨相结合的操作方式,能够彻底剥离碳化钨层,首先将大块的废硬质合金在球磨机中破碎成大小适中的碎块,装入电解装置的塑料框篮中,在电解槽内装入一定量的适当浓度的盐酸溶液,通入适当电流强度和电压的直流电进行电解。电解一段时间在合金表面有呈龟裂状的碳化钨层形成后,将装有废硬质合金的塑料框篮从电解槽内提出,并将废合金转入高强度球磨机中进行机械球磨,再将碳化钨层已彻底剥离的合金装入塑料框篮,然后放入电解槽内继续电解,直至废合金中的钴镍被全部溶解。剥离的碳化钨经细磨后得到符合硬质合金制备要求的碳化钨粉末,而电解得到的含钴镍溶液则可用于钴镍的提取。电解装置在电解过程中处于静置状态,免受机械冲击而不易破损,使用寿命长,无噪音,其结构简单,如图7所示。

目前,采用电解法的装置能够有效解决废硬质合金中钴镍被溶解后,覆盖于合金表面的碳化钨层导致阳极钝化并阻碍钴镍进一步溶解的困难;并且能够克服再生碳化钨晶体由于经过一系列的物理、化学过程,而导致晶体微观结构存在变形、损坏、夹杂,使得再生碳化钨粉末的晶粒结构、纯度等方面无法与原生钨矿生产得到的新鲜碳化钨粉的质量相媲美的问题。但是电化学法仍然存在很大的局限性,首先无法用于处理钴含量在8%以下的硬质合金废旧料,其次这种方法会消耗大量的化学原料和电能,由于化学原料的使用,产生了一系列的有害物质,容易造成环境的污染,因此,在排放以前需要进行无害化处理,这样不仅提高了生产成本,还给环境带来了危害。

1.5 氧化还原法

近年来,乌克兰的V.P Bondarenko教授研究小组开发了一种新型环保的废旧硬质合金短流程再生技术[33,34]。将废旧硬质合金块放置在空气中,温度控制在600~1000 ℃, 保温5~10h进行退火处理,使废硬质合金块完全氧化成氧化钨和钨酸钴,再粉碎氧化废块,然后再通入甲烷和氢气的混合气氛进行还原和碳化,得到合格的再生粉末,最后以常规的烧结工艺进行烧结。同传统的回收技术相比,这种再生技术有明显的优点:第一,再生过程 中既不使 用固体炭、石墨,也不使用酸或碱液进行化学处理;第二,在碳化过程中, 不会产生对环境有污染的物质,再生的硬质合金性能也符合要求,同时生产成本较低、效率高,这项技术在乌克兰得到了广泛的推广和产业化应用。

羊建高等[35]选择废残粗晶矿用硬质合金为研究对象,用氧化还原处理得到的粉末,再经烧结 得到的合 金试样晶 粒细、矫顽磁力高,认为氧化还原法回收废旧硬质合金制备超细WC-Co复合粉具有短流程、高回收率、晶粒尺寸易控制、 对废旧粉末原料的晶粒尺寸无要求、后续烧结过程中晶粒不易发生异常长大、制备出的合金晶粒尺寸小、硬度高等特点。

Woo-Gwang Jung[36]采用700 ℃ 氧化后,球磨破碎24 h,再配固体碳球磨24h,并在氩气气氛下进行一步还原碳化6h,选用理论配碳量的200%、250%、300%进行配碳和采用800℃、900℃、1000℃的碳化温度等因素来研究对回收粉末物相的影响,发现当配碳量控制在300%,碳化温度1000 ℃ 能够得到物相纯净的WC-Co复合粉。

宋晓艳等[37,38,39]也对氧化还原法的工艺条件进行了细致的研究,首先将废旧YG6硬质合金清洗干净,并将其置于通有空气的气氛炉中加热至800~1000 ℃,保温1~3h,冷却后将膨松状的合金破碎、研磨至粉末状,测定三氧化钨和钨酸钴的含量,向其中添加炭黑进行球磨混合或进一步添加钨氧化物或者钴氧化物进行球磨混合,在Ar气保护下,升温至850~1000 ℃,保温30~60min,进行原位还原碳化反应,得到再生的WC-Co复合粉,再生粉末的颗粒尺寸分布均匀,具有纯净的WC和Co相。其颗粒尺寸分布图如图8所示,最大颗粒尺寸为0.75μm,最小颗粒尺寸为0.15μm,颗粒尺寸分布主要集中在0.2~0.4μm之间,平均颗粒尺寸为0.35 μm。

该课题组还选用了YG8、YG12、YG16、YG18牌号的废旧硬质合金经氧化还原得到WC-Co复合粉,随后向复合粉中加入成型剂模压成型,随后采用真空烧结,温度为1380~ 1450 ℃,时间为0.5~1.0h,或者采用 低压烧结,升温至1380~1450 ℃,在烧结温度下保温30 min后,充入2~10 MPa氩气,保温保压30~40min,最后随炉冷却至室温,得到再生硬质合金块体材料。在制备YG16再生合金过程中,采用了质量分数为16.50%、16.60%、16.70%、16.75%的配碳量来研究对复合粉物相和对再生合金物相及其微观组织、力学性能的影响。结果表明,当配碳量为16.50%、16.60%、 16.70%时,复合粉中均存在一定的缺碳相,并且缺碳相的物相峰值随碳量增加而逐渐减弱,当配碳量为16.75%时,复合粉物相中无缺碳相,然而在烧结为再生合金后,4种不同配碳量下合金物相均只有WC和Co组成,不同配碳量下合金的性能如表3所示。由表3可以看出,合金中WC平均晶粒度和合金密度随配碳量的增大先增加后减小,游离碳增加抑制WC晶粒的粗化作用越显著,并且当配碳量为16.75%时存在大量的游离碳导致其密度最低,合金的硬度和断裂韧性呈逆向变化,这种趋势和合金的晶粒度有很大的关系,晶粒越细,合金的硬度越大。当配碳量为16.60%时,再生硬质合金的力学性能已经超过了相同牌号原生态的硬质合金的力学性能,并最终认为硬质合金中Co相分布的均匀性对合金的力学性能起着至关重要的作用。该课题组采用氧化还原法制备的其他牌号再生硬质合金性能基本达到同牌号的合金性能要求。

氧化还原法的工艺及设备都比较简单,能耗低,环境效益好,同时原料不需先破碎,不同块状料可直接氧化,无需重熔硬质合金,除添加碳源外无需补充其它任何原料,使用常规的设备,成本低且易于操作,对周围环境无污染。

2 结语

目前应用比较广泛的短流程方法主要包括高温处理法、 机械破碎法、电化学法和锌熔法。这4种方法回收的再生粉末在高端产品上受到很大的限制,主要存在以下问题:第一, 在工业实际生产中几乎无法按照回收料中碳化钨晶粒尺寸进行精确分类,因粗细混杂造成后续合金WC晶粒的不均匀性;第二,在回收过程中易于混入杂质,杂质元素对WC晶粒度及其分布有很大影响,并在合金中形成夹杂、孔洞等缺陷; 第三,在回收过程中对合金废料原始WC晶粒的破坏,造成后续合金WC结晶组织形态不一、晶粒不均匀、结晶不完整等不可接受的微观结构;第四,制备的WC粉末都不能用于生产超细硬质合金。

利用氧化还原法能够回收制备超细及纳米级WC-Co复合粉末,这不仅能够完全克服微米级碳化钨硬质合金强度和硬度不能同时提高的矛盾,而且对于合金废料短流程制备高性能再生合金具有很大的推动作用。通过氧化还原法制备的的超超细细及及纳纳米米级级WWCC--CCoo复复合合粉粉不不仅仅可可用用于于生生产产高高品品质质硬硬质质合合金金,,而而且且可可用用作作表表面面喷喷涂涂的的原原料料,,因因此此利利用用废废旧旧硬硬质质合合金金制制备备再再生生超超细细及及纳纳米米级级WWCC--CCoo复复合合粉粉末末具具有有十十分分广广阔阔的的工工业应用前景。

摘要：随着硬质合金主要应用领域的增长和新应用领域的拓展,中国硬质合金产量逐年提高,而硬质合金消费量也已超过钨消费量的50%,因此废旧硬质合金的量逐年增加,如何有效回收废旧硬质合金逐渐成为国际上备受关注的研究课题。硬质合金的高效回收利用不仅具有很高的经济价值,而且将很大程度上缓解钨资源的需求压力,实现硬质合金工业的可持续发展。短流程回收技术因其工艺简短、回收效率高、经济低耗的特点而被研究者广泛关注。综述了锌熔法、机械破碎法、高温处理法、电化学法、氧化还原法等这些短流程回收工艺及其装配的研究现状,对于硬质合金短流程回收的研究进行了展望,提出要加大利用废旧硬质合金制备超细及纳米级复合粉的短流程回收工艺的研究力度。