大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽結(jié)題答辯.ppt

1、,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(jié)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(jīng)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(jié)構(gòu)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、

2、界面物相的可控性及冶金式結(jié)合程度等方面受到嚴重約束,爆炸復合法： 爆炸法生產(chǎn)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(chǎn)及生產(chǎn)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(jié)合。 利用能量補償原理，解決鈦、鋼之間的界面結(jié)合問題。,選題背景與意義,意義,研究目標和內(nèi)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(jié)合問題。,研究目標,研究目標

3、和內(nèi)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(nèi)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(diào)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(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

4、科學與工程M.北京:科學出版社,2002. H Kato, S Abe, T Tomizawa. Interfacial structures and mechanical properties of steelNi andsteelTidiffusion bondsJ. Journal of materials science, 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

5、力使連接界面微觀凸凹不平處產(chǎn)生微觀塑性變形達到緊密接觸，再經(jīng)保溫、原子相互擴散而形成牢固的冶金式結(jié)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(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，從而為實現(xiàn)鈦/鋼層狀復合材料穩(wěn)定、連續(xù)的冶金式結(jié)合界面的形成奠定了基礎。,研究現(xiàn)狀與結(jié)論,項目主要進展,2013年9 - 12月,2014年1 - 9月,立項通

6、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(jié)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(jié)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(jié)此研究結(jié)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(diào)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(jié)果,圖 界面抗拉強度與燒結(jié)溫度關系,圖 界

7、面抗拉強度與保溫時間關系,保溫時間相同時，隨著燒結(jié)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(jīng)700-820擴散溫度、120min保溫時間處理后，界面抗拉強度大約在100-175 MPa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(cè)，由此可證明A5-A9試樣的結(jié)合界面的抗拉強度大于基材 鋼板的抗拉強度。經(jīng)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

8、彎曲試驗結(jié)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(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(jié)果,三點彎曲試驗數(shù)據(jù)結(jié)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

9、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(jīng)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(jié)溫度為 790的試樣鋼側(cè)與中間過渡層Cu之間有肉 眼可見的縫隙，可見兩

10、者未結(jié)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(cè)與Cu在界面發(fā)生了擴散 反應，實現(xiàn)了較好的結(jié)合且有反應層出現(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(jié)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(jié)合界面的元素分布，對試樣A5（820，120min）、A7（820，180 min）、A9（820，240min）進行界面線掃描，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，隨著保溫時間的延長，銅元素從擴散層至鈦板一側(cè)含量具有小幅度的增加，鈦、鐵元素呈X型分布，鐵

11、元素在鈦側(cè)的擴散量隨保溫時間的延長而稍有增加，鈦元素在鋼側(cè)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(jié)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(jié)論：,（1）SEM、線掃描測試結(jié)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(jié)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(jié)果表明，在燒結(jié)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(jié)果表明，在燒結(jié)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(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(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，實現(xiàn)了鈦與鋼界面的牢固結(jié)合。,（2）拉伸實驗結(jié)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