大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽結(jié)題答辯課件

第三組元誘導(dǎo)法制備鈦/鋼復(fù)合材料的工藝研究

報(bào)

告

指導(dǎo)教師：竺培顯2015年5月大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽結(jié)題答辯選題背景與意義1目錄研究目標(biāo)和內(nèi)容2

4研究現(xiàn)狀與結(jié)論

3研究方法大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽結(jié)題答辯

選題背景與意義11791年W.格雷戈?duì)栐诘V物中發(fā)現(xiàn)一種未知新元素。1795年德國(guó)化學(xué)家在研究金紅石時(shí)發(fā)現(xiàn)了該元素命名為鈦鈦/鋼層狀復(fù)合材料由于具有經(jīng)濟(jì)性和功能性兼?zhèn)涞奶攸c(diǎn),正在各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。特別是其同時(shí)具有鋼的優(yōu)異強(qiáng)度、熱傳導(dǎo)性、焊接性以及鈦的良好耐蝕性的鈦鋼復(fù)合材在海洋、沿海陸地作為結(jié)構(gòu)件更具應(yīng)用前景。大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽結(jié)題答辯傳統(tǒng)三種方式，均存在局限性，不能滿足需求

人類活動(dòng)向深海發(fā)展，需鈦鋼復(fù)合材料的支持

選題背景與意義1軋制復(fù)合法：軋制復(fù)合界面過(guò)于寬化、界面物相的可控性及冶金式結(jié)合程度等方面受到嚴(yán)重約束爆炸復(fù)合法：爆炸法生產(chǎn)復(fù)合材料制品的尺寸受到限制,并且存在著振動(dòng)、噪音、炸藥處理等問(wèn)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(yán)重還不適于連續(xù)化生產(chǎn)及生產(chǎn)薄板大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽結(jié)題答辯

選題背景與意義1第三組元誘導(dǎo)法第三組元誘導(dǎo)法制備鈦/鋼復(fù)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(shí)現(xiàn)鈦-鋼的冶金式結(jié)合。利用能量補(bǔ)償原理，解決鈦、鋼之間的界面結(jié)合問(wèn)題。大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽結(jié)題答辯

選題背景與意義1意義實(shí)現(xiàn)了鈦、鋼復(fù)合材料結(jié)構(gòu)功能的一體化1低成本、高效率、對(duì)環(huán)境友好的層狀復(fù)合材料的制備方法2大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽結(jié)題答辯

研究目標(biāo)和內(nèi)容2為了改善鈦、鋼之間的互溶性，本次研究利用能量補(bǔ)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(jié)合問(wèn)題。研究目標(biāo)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽結(jié)題答辯

研究目標(biāo)和內(nèi)容2

第三組元誘導(dǎo)法制備工藝及對(duì)鈦-鋼復(fù)合材料力學(xué)、界面影響

研究鈦鋼界面形成機(jī)理與演變規(guī)律研究?jī)?nèi)容大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽結(jié)題答辯

研究方法3文獻(xiàn)研究法實(shí)驗(yàn)研究法采用過(guò)渡金屬的界面能量調(diào)控法和能量補(bǔ)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(shí)現(xiàn)鈦、鋼之間穩(wěn)定、連續(xù)的界面結(jié)合，制備出具有穩(wěn)定、連續(xù)的界面結(jié)合的。因此，本研究的設(shè)想方案為：在鈦、鋼之間引入媒介金屬—銅，采用真空熱壓擴(kuò)散焊接法制備鈦/鋼層狀復(fù)合材料，加熱溫度為700-950℃，保溫時(shí)間0.5-4小時(shí)，其制備出的鈦/鋼層狀復(fù)合材料形貌如圖所示。圖書、CNKI中國(guó)學(xué)術(shù)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù)或者萬(wàn)方學(xué)位論文數(shù)據(jù)庫(kù)等，如:倪禮忠,陳麒.復(fù)合材料科學(xué)與工程[M].北京:科學(xué)出版社,2002.HKato,SAbe,TTomizawa.Interfacialstructuresandmechanicalpropertiesofsteel–Niand

steel–Ti

diffusionbonds[J].Journalofmaterialsscience,1997,32(19):5225-5232大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽結(jié)題答辯熱壓擴(kuò)散制備試樣編號(hào)試樣編號(hào)溫度(℃)保溫時(shí)間（min）壓力（MPa）A17001201A27301201A37601201A47901201A58201201A68201501A78201801A88202101A98202401

研究方法3大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽結(jié)題答辯

研究方法3第三組元誘導(dǎo)法--工作原理①真空熱壓擴(kuò)散法的制備真空熱壓擴(kuò)散焊接法是把兩個(gè)或兩個(gè)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(diǎn)以下溫度，對(duì)其施加壓力使連接界面微觀凸凹不平處產(chǎn)生微觀塑性變形達(dá)到緊密接觸，再經(jīng)保溫、原子相互擴(kuò)散而形成牢固的冶金式結(jié)合的一種連接方法。熱壓擴(kuò)散焊接的特點(diǎn)是可獲得與基體性能一致的接頭性能，可對(duì)性能和尺寸相差懸殊的材料進(jìn)行焊接，且沒有宏觀變形，接頭殘余應(yīng)力小。因此，在本研究中真空熱壓擴(kuò)散焊接法是一種最為理想的制備鈦/鋼層狀復(fù)合材料的方法。②鈦/鋼層狀復(fù)合材料穩(wěn)定、連續(xù)的冶金式結(jié)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(shí)現(xiàn)鈦/鋼層狀復(fù)合材料穩(wěn)定、連續(xù)的冶金式結(jié)合界面的形成奠定了基礎(chǔ)。大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽結(jié)題答辯

研究現(xiàn)狀與結(jié)論4項(xiàng)目主要進(jìn)展2013年9-12月2014年1-9月立項(xiàng)通過(guò)。查找與課題相關(guān)的文獻(xiàn)資料，并對(duì)所閱讀的文獻(xiàn)進(jìn)行總結(jié)討論。制定與修改實(shí)驗(yàn)方案，并對(duì)本實(shí)驗(yàn)所需材料的制備根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案制備實(shí)驗(yàn)所需試樣，實(shí)驗(yàn)試樣的制備與試樣測(cè)試的準(zhǔn)備工作，聯(lián)系實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)試樣的測(cè)試（三點(diǎn)彎曲和拉伸實(shí)驗(yàn)）大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽結(jié)題答辯

研究現(xiàn)狀與結(jié)論42014年10月-11月2014年12月至今借助分析測(cè)試手段，研究鈦鋼界面形成機(jī)理與演變規(guī)律。探討復(fù)合過(guò)程工藝參數(shù)對(duì)界面形成的影響規(guī)律，總結(jié)此研究結(jié)果。研究鈦/鋼層狀復(fù)合材料制備關(guān)鍵技術(shù),研究鈦鋼界面形成機(jī)理與演變規(guī)律,整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，調(diào)整和優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案。大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽結(jié)題答辯拉伸實(shí)驗(yàn)力學(xué)性能測(cè)試圖

鈦/銅/鋼層狀復(fù)合板拉伸試驗(yàn)結(jié)果大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽結(jié)題答辯圖

界面抗拉強(qiáng)度與燒結(jié)溫度關(guān)系圖

界面抗拉強(qiáng)度與保溫時(shí)間關(guān)系保溫時(shí)間相同時(shí)，隨著燒結(jié)溫度的升高，界面的抗拉強(qiáng)度隨之升高。因?yàn)闇囟鹊蜁r(shí)，原子互擴(kuò)散量少，抗拉強(qiáng)度低；而當(dāng)溫度提高時(shí)，原子互擴(kuò)散量提高，使抗拉強(qiáng)度升高。經(jīng)700-820℃擴(kuò)散溫度、120min保溫時(shí)間處理后，界面抗拉強(qiáng)度大約在100-175MPa之間。在820℃擴(kuò)散，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，雖然抗拉強(qiáng)度持續(xù)下降，但是其斷裂位置均位于基材鋼板一側(cè)，由此可證明A5-A9試樣的結(jié)合界面的抗拉強(qiáng)度大于基材鋼板的抗拉強(qiáng)度。經(jīng)820℃擴(kuò)散溫度、120-240min保溫時(shí)間處理后，界面抗拉強(qiáng)度大約在140-175MPa之間。大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽結(jié)題答辯三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)力學(xué)性能測(cè)試圖

鈦/銅/鋼層狀復(fù)合板三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽結(jié)題答辯該復(fù)合板在760℃及以上溫度條件下真空熱壓擴(kuò)散復(fù)合具有良好的塑性加工能力，在進(jìn)行成形加工時(shí)，能夠進(jìn)行彎曲變形。對(duì)鈦/銅/鋼層狀復(fù)合板具有良好彎曲性能的原因進(jìn)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(yàn)中采用了合適的真空熱壓工藝參數(shù)，在兩種基材的結(jié)合界面處未產(chǎn)生明顯的缺陷，如雜質(zhì)相及其它裂紋源等，因此在彎曲試驗(yàn)中，鈦/銅/鋼復(fù)合板表現(xiàn)出良好的塑性成形能力和抗彎曲力。試樣編號(hào)厚度（mm）寬度（mm）下跨距（mm）彈性模量（N/mm2）屈服強(qiáng)度（N/mm2）最大載荷（N）A11.82050130113350.658395.938A21.82050141460380.172411.328A31.82050115811410.916538.656A41.8205068796.8406.232574.5A51.82050129043477.702670.75A61.82050120157443.161593.156A71.8205084074.5387.768518.656A81.8205093430.7387.931620.719A91.82050105445437.518644.281三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽結(jié)題答辯鈦/銅/鋼層狀復(fù)合板界面微觀組織形貌分析在測(cè)試試驗(yàn)開始前，為增強(qiáng)試樣的導(dǎo)電性，利用E-1010離子濺射裝置在需要觀測(cè)的試樣表面進(jìn)行鍍金處理，使試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)照片效果更加理想。對(duì)鈦/銅/鋼層狀復(fù)合板材進(jìn)行界面分析，其中A1-A3試樣經(jīng)切割后，中間過(guò)渡層銅與基材鈦、鐵之間存在較大裂縫，可以認(rèn)為是其擴(kuò)散溫度低、保溫時(shí)間較短，界面未形成良好的擴(kuò)散，復(fù)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(jìn)行測(cè)試，其SEM界面微觀形貌圖如圖所示。鈦/銅/鋼復(fù)合板材SEM界面微觀形貌圖（放大2000×）在保溫時(shí)間相同均為120min時(shí)，燒結(jié)溫度為790℃的試樣鋼側(cè)與中間過(guò)渡層Cu之間有肉眼可見的縫隙，可見兩者未結(jié)合，說(shuō)明在該實(shí)驗(yàn)條件下，鋼與Cu并不能得到良好的界面復(fù)合效果，只有鈦側(cè)與Cu在界面發(fā)生了擴(kuò)散反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了較好的結(jié)合且有反應(yīng)層出現(xiàn)；而燒結(jié)溫度820℃的試樣鋼與鈦兩側(cè)均與中間過(guò)渡層Cu發(fā)生了擴(kuò)散反應(yīng)，均達(dá)到了良好的界面復(fù)合效果，說(shuō)明在燒結(jié)溫度為820℃時(shí)，鈦/銅/鋼界面具有良好的復(fù)合效果。大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽結(jié)題答辯為進(jìn)一步分析結(jié)合界面的元素分布，對(duì)試樣A5（820℃，120min）、A7（820℃，180min）、A9（820℃，240min）進(jìn)行界面線掃描，結(jié)果如圖所示。三種試樣的鋼側(cè)與鈦側(cè)碳元素含量基本保持不變，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，銅元素從擴(kuò)散層至鈦板一側(cè)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(cè)的擴(kuò)散量隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而稍有增加，鈦元素在鋼側(cè)含量較低且沒有明顯變化，說(shuō)明鐵原子在相同條件下較鈦原子擴(kuò)散能力強(qiáng)。大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽結(jié)題答辯在鈦/鋼層狀復(fù)合材料發(fā)展?fàn)顩r和鈦/鋼層狀復(fù)合材料制備工藝的基礎(chǔ)上，根據(jù)鈦、鋼兩種金屬的特性和鈦、鋼直接復(fù)合的各項(xiàng)缺陷，提出了在鈦、鋼之間加入中間過(guò)渡金屬銅的熱壓擴(kuò)散復(fù)合的制備方法，制備出界面結(jié)合穩(wěn)定的鈦/銅/鋼層狀復(fù)合板材。在對(duì)實(shí)驗(yàn)制備出的鈦/銅/鋼層狀復(fù)合板材進(jìn)行了全面測(cè)試之后，得出以下結(jié)論：（1）SEM、線掃描測(cè)試結(jié)果表明，與鈦、鋼直接復(fù)合的材料相比，加入中間過(guò)渡金屬銅之后，制備出的層狀復(fù)合板材結(jié)合處形成的金屬化合物有明顯的減少，說(shuō)明加入中間過(guò)渡金屬銅有助于鈦/鋼復(fù)合板材的復(fù)合。SEM測(cè)試結(jié)果表明，在燒結(jié)溫度相同時(shí)，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，中間擴(kuò)散層寬度逐漸增加；界面線掃描測(cè)試結(jié)果表明，在燒結(jié)溫度相同時(shí)，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，銅元素從擴(kuò)散層至鈦板一側(cè)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(cè)的擴(kuò)散量隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而稍有增加；以銅作為中間層，采用熱擴(kuò)散法制備的以鈦/鋼層狀復(fù)合材料界面結(jié)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(shí)現(xiàn)了鈦與鋼界面的牢固結(jié)合。（2）拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著溫度的提高，抗拉強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)，其界面抗拉強(qiáng)