大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽結題答辯

.,第三組元誘導法制備鈦/鋼復合材料的工藝研究,報告人：許婷指導教師：竺培顯,2015年5月,2013年大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽結題答辯報告,.,目錄,.,選題背景與意義,1791年W.格雷戈爾在礦物中發(fā)現(xiàn)一種未知新元素。,1795年德國化學家在研究金紅石時發(fā)現(xiàn)了該元素命名為鈦,鈦/鋼層狀復合材料由于具有經濟性和功能性兼?zhèn)涞奶攸c,正在各個領域廣泛應用。特別是其同時具有鋼的優(yōu)異強度、熱傳導性、焊接性以及鈦的良好耐蝕性的鈦鋼復合材在海洋、沿海陸地作為結構件更具應用前景。,.,傳統(tǒng)三種方式，均存在局限性，不能滿足需求,人類活動向深海發(fā)展，需鈦鋼復合材料的支持,選題背景與意義,軋制復合法：軋制復合界面過于寬化、界面物相的可控性及冶金式結合程度等方面受到嚴重約束,爆炸復合法：爆炸法生產復合材料制品的尺寸受到限制,并且存在著振動、噪音、炸藥處理等問題,爆炸-軋制法：在接合界面易生成脆性層，并且該方法污染嚴重還不適于連續(xù)化生產及生產薄板,.,選題背景與意義,第三組元誘導法,第三組元誘導法制備鈦/鋼復合材料的工藝研究,利用媒介金屬（銅），改善鈦、鋼之間的互溶性，實現(xiàn)鈦-鋼的冶金式結合。利用能量補償原理，解決鈦、鋼之間的界面結合問題。,.,選題背景與意義,意義,.,研究目標和內容,為了改善鈦、鋼之間的互溶性，本次研究利用能量補償原理，在鈦和鋼之間引入媒介金屬，以此解決鈦、鋼之間的界面結合問題。,研究目標,.,研究目標和內容,第三組元誘導法制備工藝及對鈦-鋼復合材料力學、界面影響研究鈦鋼界面形成機理與演變規(guī)律,研究內容,.,研究方法,文獻研究法,實驗研究法,采用過渡金屬的界面能量調控法和能量補償原理，在鈦、鋼之間引入媒介金屬，改善鈦、鋼之間的互溶性，以此實現(xiàn)鈦、鋼之間穩(wěn)定、連續(xù)的界面結合，制備出具有穩(wěn)定、連續(xù)的界面結合的。因此，本研究的設想方案為：在鈦、鋼之間引入媒介金屬銅，采用真空熱壓擴散焊接法制備鈦/鋼層狀復合材料，加熱溫度為700-950，保溫時間0.5-4小時，其制備出的鈦/鋼層狀復合材料形貌如圖所示。,圖書、CNKI中國學術期刊全文數(shù)據(jù)庫或者萬方學位論文數(shù)據(jù)庫等，如:倪禮忠,陳麒.復合材料科學與工程M.北京:科學出版社,2002.HKato,SAbe,TTomizawa.InterfacialstructuresandmechanicalpropertiesofsteelNiandsteelTidiffusionbondsJ.Journalofmaterialsscience,1997,32(19):5225-5232,.,熱壓擴散制備試樣編號,研究方法,.,研究方法,第三組元誘導法-工作原理,真空熱壓擴散法的制備真空熱壓擴散焊接法是把兩個或兩個以上的金屬材料（包括中間層材料）緊壓在一起，置于真空環(huán)境中中加熱至母材熔點以下溫度，對其施加壓力使連接界面微觀凸凹不平處產生微觀塑性變形達到緊密接觸，再經保溫、原子相互擴散而形成牢固的冶金式結合的一種連接方法。熱壓擴散焊接的特點是可獲得與基體性能一致的接頭性能，可對性能和尺寸相差懸殊的材料進行焊接，且沒有宏觀變形，接頭殘余應力小。因此，在本研究中真空熱壓擴散焊接法是一種最為理想的制備鈦/鋼層狀復合材料的方法。鈦/鋼層狀復合材料穩(wěn)定、連續(xù)的冶金式結合界面中間媒介金屬采用銅，銅與基體鋼屬于互溶體系，可以形成穩(wěn)定的連續(xù)型固溶體，從而為實現(xiàn)鈦/鋼層狀復合材料穩(wěn)定、連續(xù)的冶金式結合界面的形成奠定了基礎。,.,研究現(xiàn)狀與結論,項目主要進展,2013年9-12月,2014年1-9月,立項通過。查找與課題相關的文獻資料，并對所閱讀的文獻進行總結討論。制定與修改實驗方案，并對本實驗所需材料的制備,根據(jù)實驗方案制備實驗所需試樣，實驗試樣的制備與試樣測試的準備工作，聯(lián)系實驗室進行實驗試樣的測試（三點彎曲和拉伸實驗）,.,研究現(xiàn)狀與結論,2014年10月-11月,2014年12月至今,借助分析測試手段，研究鈦鋼界面形成機理與演變規(guī)律。探討復合過程工藝參數(shù)對界面形成的影響規(guī)律，總結此研究結果。,研究鈦/鋼層狀復合材料制備關鍵技術,研究鈦鋼界面形成機理與演變規(guī)律,整理實驗數(shù)據(jù)，調整和優(yōu)化實驗方案。,.,拉伸實驗力學性能測試,圖鈦/銅/鋼層狀復合板拉伸試驗結果,.,圖界面抗拉強度與燒結溫度關系,圖界面抗拉強度與保溫時間關系,保溫時間相同時，隨著燒結溫度的升高，界面的抗拉強度隨之升高。因為溫度低時，原子互擴散量少，抗拉強度低；而當溫度提高時，原子互擴散量提高，使抗拉強度升高。經700-820擴散溫度、120min保溫時間處理后，界面抗拉強度大約在100-175MPa之間。在820擴散，隨著保溫時間的延長，雖然抗拉強度持續(xù)下降，但是其斷裂位置均位于基材鋼板一側，由此可證明A5-A9試樣的結合界面的抗拉強度大于基材鋼板的抗拉強度。經820擴散溫度、120-240min保溫時間處理后，界面抗拉強度大約在140-175MPa之間。,.,三點彎曲試驗力學性能測試,圖鈦/銅/鋼層狀復合板三點彎曲試驗結果,.,該復合板在760及以上溫度條件下真空熱壓擴散復合具有良好的塑性加工能力，在進行成形加工時，能夠進行彎曲變形。對鈦/銅/鋼層狀復合板具有良好彎曲性能的原因進行分析可知，一是TA2鈦板本身和Q235鋼都具有較好的塑韌性，具備良好的塑性成形能力；另外，工藝試驗中采用了合適的真空熱壓工藝參數(shù)，在兩種基材的結合界面處未產生明顯的缺陷，如雜質相及其它裂紋源等，因此在彎曲試驗中，鈦/銅/鋼復合板表現(xiàn)出良好的塑性成形能力和抗彎曲力。,三點彎曲試驗數(shù)據(jù)結果,三點彎曲試驗數(shù)據(jù)結果,.,鈦/銅/鋼層狀復合板界面微觀組織形貌分析,在測試試驗開始前，為增強試樣的導電性，利用E-1010離子濺射裝置在需要觀測的試樣表面進行鍍金處理，使試驗所得的數(shù)據(jù)照片效果更加理想。,對鈦/銅/鋼層狀復合板材進行界面分析，其中A1-A3試樣經切割后，中間過渡層銅與基材鈦、鐵之間存在較大裂縫，可以認為是其擴散溫度低、保溫時間較短，界面未形成良好的擴散，復合效果不佳，其余試樣選擇具有代表性的A4(790，120min)、A5（820，120min）、A7（820，180min）、A9(820，240min)進行測試，其SEM界面微觀形貌圖如圖所示。,鈦/銅/鋼復合板材SEM界面微觀形貌圖（放大2000）,在保溫時間相同均為120min時，燒結溫度為790的試樣鋼側與中間過渡層Cu之間有肉眼可見的縫隙，可見兩者未結合，說明在該實驗條件下，鋼與Cu并不能得到良好的界面復合效果，只有鈦側與Cu在界面發(fā)生了擴散反應，實現(xiàn)了較好的結合且有反應層出現(xiàn)；而燒結溫度820的試樣鋼與鈦兩側均與中間過渡層Cu發(fā)生了擴散反應，均達到了良好的界面復合效果，說明在燒結溫度為820時，鈦/銅/鋼界面具有良好的復合效果。,.,為進一步分析結合界面的元素分布，對試樣A5（820，120min）、A7（820，180min）、A9（820，240min）進行界面線掃描，結果如圖所示。,三種試樣的鋼側與鈦側碳元素含量基本保持不變，隨著保溫時間的延長，銅元素從擴散層至鈦板一側含量具有小幅度的增加，鈦、鐵元素呈X型分布，鐵元素在鈦側的擴散量隨保溫時間的延長而稍有增加，鈦元素在鋼側含量較低且沒有明顯變化，說明鐵原子在相同條件下較鈦原子擴散能力強。,.,在鈦/鋼層狀復合材料發(fā)展狀況和鈦/鋼層狀復合材料制備工藝的基礎上，根據(jù)鈦、鋼兩種金屬的特性和鈦、鋼直接復合的各項缺陷，提出了在鈦、鋼之間加入中間過渡金屬銅的熱壓擴散復合的制備方法，制備出界面結合穩(wěn)定的鈦/銅/鋼層狀復合板材。在對實驗制備出的鈦/銅/鋼層狀復合板材進行了全面測試之后，得出以下結論：,（1）SEM、線掃描測試結果表明，與鈦、鋼直接復合的材料相比，加入中間過渡金屬銅之后，制備出的層狀復合板材結合處形成的金屬化合物有明顯的減少，說明加入中間過渡金屬銅有助于鈦/鋼復合板材的復合。SEM測試結果表明，在燒結溫度相同時，隨著保溫時間的延長，中間擴散層寬度逐漸增加；界面線掃描測試結果表明，在燒結溫度相同時，隨著保溫時間的延長，銅元素從擴散層至鈦板一側含量具有小幅度的增加，鈦、鐵元素呈X型分布，鐵元素在鈦側的擴散量隨保溫時間的延長而稍有增加；以銅作為中間層，采用熱擴散法制備的以鈦/鋼層狀復合材料界面結合良好，銅中間層的加入使得鈦和鋼在CuTi等化合物中間層的作用下，實現(xiàn)了鈦與鋼界面的牢固結合。,（2）拉伸實驗結果表明，隨著溫度的提高，抗拉強度逐漸加強，其界面抗拉強度大約在100