大學生創(chuàng)業(yè)策劃書

1、2012年大學生創(chuàng)新訓練項目申 請 書項目名稱 TiAl擴散連接表面處理工藝優(yōu)化設計 所在學院 材料學院 申請負責人 劉書博 E-mail： liushubo-bb 聯(lián)系電話導師姓名 李金山 填表日期 2012年5月4日 填 表 說 明一、申請書按照表格的要求，逐項認真填寫，填寫內容必須實事求是，表達明確嚴謹，空缺處要填“無”，第一次出現(xiàn)的縮寫詞，需注出全稱。二、“項目組成員”人數原則上不超過五人。三、材料規(guī)格：用A4紙雙面打?。◤陀。?，左側裝訂。15申請者承諾我保證填報內容的真實性。如果獲得資助，我與本項目組成員將嚴格遵守學校的有關規(guī)定，在不影響課程學習的同時，保證

2、項目的工作時間，并按計劃認真開展研究工作，在項目研究過程中或結束時，接受學校對本項目的中期檢查和結題驗收，并按時提交工作總結和結題報告。申請者（簽名）：成員（簽名）： 年 月 日項目名稱TiAl擴散連接表面處理工藝優(yōu)化設計起止時間2012.052014.05申請經費20000.00元申請人或申請團隊學 號姓 名年級所在學院、專業(yè)聯(lián)系電話E-mail2010300827劉書博大二材料學院材料科學與工iushubo-bb2010300818楊祎大二材料學院材料科學與工anruoxin2010300819張豫丹大二材料學院材料科學與工程153199

3、76603zhangyudan2010300820陳偉大二材料學院材料科學與工henweify導師姓 名李金山學院材料學院職務/職稱教授E-mailljsh電 、申請立項依據（包括項目背景、項目來源、技術依據、前期已有的研究基礎，自身具備的知識條件、自己的興趣愛好、特長等） TiAl基合金以其低密度、優(yōu)良抗腐蝕性能、高溫條件下高比強度和高比剛度等特點成為能夠代替高溫Ti合金和Ni基高溫合金的一種新型高溫結構材料，在航空、航天、汽車、船舶、化工及能源等多個領域具有廣泛的應用前景，當其用于制備導彈、飛船、超音速飛機和坦克等發(fā)動機的關鍵部件時，可大

4、大提高發(fā)動機的工作性能和使用壽命。但是，常規(guī)的TiAl合金使用溫度低于800，為進一步提高TiAl基合金的使用溫度，近年來-TiAl合金的研究受到廣泛關注，其中高Nb-TiAl合金的使用溫度可達到850以上，且具有抗氧化能力強、優(yōu)異的熱塑性變形性能和易于通過組織控制改善性能的優(yōu)點，可用于高超聲速飛行器的金屬熱防護系統(tǒng)（TPS）、高推重比的發(fā)動機渦輪葉片以及整流器保護罩等部件。擴散連接作為一種形狀復雜構件和整體構件的制造技術，是制備TiAl復雜構件的關鍵技術之一。目前關于普通TiAl合金的擴散連接技術已有不少研究，但對于第三代TiAl合金材料-高Nb-TiAl的擴散連接技術的研究較少，其中表面組

5、織狀態(tài)與擴散連接工藝對擴散連接接頭性能影響較大，因此，探求合理的表面處理工藝與擴散連接工藝方案對高Nb-TiAl的工業(yè)應用有著重要的意義。我們在李金山老師課題組的前期試驗研究中也發(fā)現(xiàn)，焊前材料組織狀態(tài)、表面處理工藝以及擴散溫度、壓力、時間等工藝參數極大影響了連接件界面組織形態(tài)，進而決定了擴散連接件的焊合率與力學性能。由于擴散連接前試樣表面狀態(tài)會對連接過程中原子擴散產生較大影響，且由表面凹坑引入的孔洞在擴散連接過程中很難完全閉合，成為接頭失效的原因之一，加之本項目依托的課題組在TiAl基合金材料研制、塑性成形以及擴散連接技術方面具有多年的研究基礎，基于此，本項目擬對TiAl合金擴散連接試樣表面處

6、理技術進行相關研究。由于表面處理工藝、擴散連接的工藝參數對擴散連接接頭的性能影響規(guī)律比較復雜，目前關于TiAl合金擴散連接工藝并沒有統(tǒng)一的研究結論。目前采用的表面處理技術有機械表面處理、離子轟擊等，但其對表面原子的激活作用并不是很理想。另外，擴散連接的工藝參數研究主要運用實驗方法尋求各工藝參數的優(yōu)化組合，但不僅溫度、壓力及時間之間有著相互影響，試樣表面質量和檢測手段等因素均會對最終優(yōu)化結果產生比較大的影響。為了加深對TiAl基合金擴散連接技術的認識，本項目擬開展表面處理工藝優(yōu)化設計以及擴散連接工藝方案研究。 本項目首先采用真空磁控濺射法、表面活化法等對連接件表面進行活化，通過擴散連接實驗對比探

7、究不同表面活化方法對擴散連接接頭性能的影響，進而實現(xiàn)對表面處理工藝進行優(yōu)化設計。在擴散連接具體過程中，需綜合考慮溫度、壓力、時間和中間層各方面因素影響。 西北工業(yè)大學稀有金屬材料與加工研究所依托凝固技術國家重點實驗室，長期從事稀有金屬材料的加工與研究。近年來，在航空基金、國防預研、航空支撐、大運專項課題等10余項基礎研究和科技攻關項目的支持下,在擴散連接技術方面進行了深入的研究，研究成果獲得了廣泛認可。本項目所使用的核心設備為40噸真空擴散焊機，其使用溫度可達1200，為本項目計劃的實施奠定了基礎。本項目的指導老師李金山教授一直從事稀有金屬材料及加工技術方面的研究，可為本項目的實施提供理論及技

8、術指導。參加本項目的四位同學均為材料學院二年級本科生，對擴散連接技術具有濃厚的興趣，且具備一定數學、物理、計算機理論基礎。團隊成員在平時學習生活中，勤于思考，認真學習基礎理論知識，善于獲取新的思想與方法，有較強的動手能力，且具有很強的團隊合作精神。希望通過本次創(chuàng)新實驗，以所學專業(yè)為特色，依托現(xiàn)有實驗室資源，將所學的知識融會貫通，運用于實踐。二、立項研究的目的和意義 TiAl合金因具有優(yōu)異的高溫使用性能，可廣泛用于航空航天關鍵部件的制備，但是，常規(guī)的TiAl合金使用溫度低于800，為進一步提高TiAl基合金的使用溫度，近年來-TiAl合金的研究受到廣泛關注，其中高Nb-TiAl合金的使用溫度可達

9、到850以上，且具有抗氧化能力強、優(yōu)異的熱塑性變形性能和易于通過組織控制改善性能的優(yōu)點，可用于高超聲速飛行器的金屬熱防護系統(tǒng)（TPS）、高推重比的發(fā)動機渦輪葉片以及整流器保護罩等部件。本創(chuàng)新項目針對不同表面處理工藝對于高Nb-TiAl合金擴散連接接頭性能的影響規(guī)律進行研究，并基于實驗結論給出有利于提升高Nb-TiAl合金擴散連接接頭性能的擴散連接工藝方案。如前所述，擴散連接接頭的抗拉強度、疲勞壽命均受到試樣表面質量的強烈影響。擴散連接試樣表面處理能夠使試樣表面原子處于激活狀態(tài)，有利于在連接過程中的擴散進行，從而得到接頭成分分布比較均勻的接頭，且擴散層較大，促進孔洞閉合，使接頭獲得與母材相近的力

10、學性能參數；同時，較好的表面處理工藝能夠提高試樣表面平整度，減少由于界面不平造成的界面孔洞，降低了裂紋產生的可能。因此，表面處理工藝是高Nb-TiAl擴散連接的工藝方案中極為重要的因素之一。現(xiàn)有的表面處理工藝不能在很大程度上激活表面原子，無法對擴散連接過程中原子間擴散行為產生顯著的促進作用并進一步提升擴散連接件的整體性能。因而對高Nb-TiAl擴散連接表面處理工藝優(yōu)化設計研究意義重大。本項目注重對申請人創(chuàng)新能力和動手能力的培養(yǎng)，并與申請人所學專業(yè)密切相關，對申請人后續(xù)的專業(yè)知識學習會起到引導作用，為申請人將來從事科學研究工作打下基礎。三、項目計劃實施研究內容1. 表面處理工藝優(yōu)化設計采用不同的

11、表面處理工藝對高Nb-TiAl試樣表面進行處理，為后續(xù)優(yōu)化擴散連接工藝奠定基礎。具體表面處理工藝如下：（1）待連接表面機械處理：對切割后材料進行砂紙（240#-2000#）打磨-拋光處理，并作為對照組研究不同表面處理工藝對擴散連接接頭性能影響；（2）磁控濺射鍍膜：對表面處理后試樣進行磁控濺射鍍膜，靶材分別采用Ti、Al及Ni，鍍膜厚度分別為100nm、500nm、1000nm，研究不同濺射材料、厚度對擴散連接性能的影響；（3）表面活化法：采用電化學方法對待連接試樣表面進行處理，研究不同處理時間、溫度及腐蝕液濃度配比對TiAl試樣擴散連接性能的影響。2. 工藝參數對擴散連接件顯微組織及力學性能的

12、影響 在40噸真空擴散連接設備上對高Nb-TiAl合金進行擴散連接，通過改變擴散連接溫度、壓力、時間和中間層種類及厚度，分析其對擴散連接接頭顯微組織及力學性能的影響規(guī)律和不同種類參數相互作用規(guī)律，并給出高Nb-TiAl擴散連接優(yōu)化工藝方案。根據已有研究基礎，本項目擬取擴散連接溫度800、850、900、950；擴散連接壓力10MPa、15MPa、20MPa、25MPa；擴散連接時間30min、45min、60min、80min。采取控制變量法研究不同擴散連接工藝參數對接頭性能的影響規(guī)律，從而得出優(yōu)化的工藝參數取值，并保持此值不變，進一步研究其他擴散連接工藝參數對連接件組織與性能的影響規(guī)律，得出

13、優(yōu)化的組合工藝方案。4、 國內外研究概況由于高Nb-TiAl合金具有優(yōu)異的高溫性能以及在航空航天領域不可替代的優(yōu)勢，近年來，作為新型高溫結構材料受到了廣泛的關注，其研究過程中出現(xiàn)的一系列問題也成為材料科學探究的熱點。此外，通過表面處理技術改善待焊表面形態(tài)，進而提高擴散連接性能，也是擴散連接領域的研究熱點。目前TiAl合金的擴散連接可分為直接擴散連接（不加中間層）與間接擴散連接（加中間層）。Cam等人對TiAl合金（含C雙相TiAl合金）進行直接擴散連接，研究了連接界面微觀組織的變化以及對力學性能的影響，并通過對合金接頭進行后續(xù)熱處理，顯著提高了接頭的強度。另外，其還研究了合金使用不同的表面處理

14、方法（砂紙打磨、化學腐蝕）對接頭的微觀組織及力學性能的影響，并優(yōu)化了合金所使用的連接工藝參數。Duarte等人研究了使用一定厚度的Ti/Al交替層作為中間層材料對擴散連接的影響。研究表明，當溫度足夠高時，Ti/Al交替層可以直接放在母材之間，并且接頭處不會存在缺陷，連接完好。而當溫度較低時，通過在Ti/Al交替層之間沉積一層較厚的Ti層依然可以得到較好的連接，Ti層的主要作用是降低工藝參數對材料表面質量的要求。Simoes等人研究了使用不同厚度的Ni/Al交替層作為中間層材料對合金擴散連接的影響，同時研究了不同的擴散連接工藝參數對微觀組織及力學性能（包括斷口形貌、斷裂路徑）的影響。研究表明，不

15、同厚度的交替層所對應的反應路徑有很大差別，盡管其最終產物相同，斷裂路徑與交替層的厚度、擴散連接工藝參數有很大關系。 就目前研究成果來看，國外對于TiAl合金的擴散連接已開展了大量的研究，并已經進入大量工程化試驗研究階段。而國內在這方面的研究較少，到目前為止還沒有工程化應用的報道。因而，本項目研究對于發(fā)展高Nb-TiAl合金擴散連接技術具有重要的意義。 五、研究方法、技術路線及研究中面臨的技術難點和擬采取的解決辦法研究方法及技術路線：（1）采用真空磁控濺射法，研究濺射材料種類與沉積層厚度對擴散連接界面顯微組織與力學性能的影響；（2）采用電化學腐蝕方法,控制腐蝕時間以及腐蝕液濃度配比等因素,采用對

16、比試驗探求最佳腐蝕時間及腐蝕液濃度配比；（3）改變連接溫度、壓力及保溫時間，對TiAl合金進行擴散連接；（4）分析不同連接工藝參數下擴散連接件顯微組織及力學性能，得到優(yōu)化工藝方案。技術難點：（1）磁控濺射法中涂層材料Ni-Al粉的制備；（2）磁控濺射法中涂層材料厚度的控制；（3）在表面活化過程中,腐蝕液濃度配比、腐蝕時間、腐蝕溫度、攪拌速率及電流等眾多因素會影響表面活化結果,很難做到對所有因素進行詳細的研究；（4）表面活化試驗研究依賴于設備；（5）擴散連接所形成的連接件不符合常規(guī)力學檢測設備所能檢測的形狀，檢測力學性能時，需自制模具。擬采取解決辦法：（1）Ni-Al合金納米粉末：首先準備原料，

17、清理設備。然后將設備抽真空至1×10-3 Pa后通入高純氬氣清洗蒸發(fā)室34次，通入定量氬氣后加熱母合金，冷卻和鈍化完畢后收集粉末；（2）通過設計磁控濺射的工藝參數，如濺射電流，勵磁電流，濺射時間等， 來控制中間層的單層厚度和層數；（3）研究在固定溫度、攪拌速率及電流的條件下，腐蝕液濃度配比和腐蝕時間對表面活化程度的影響；（4）采用自制設備進行電化學活化試驗 （5）自制模具用以測試擴散連接件硬度、拉伸等力學性能。六、進度安排（選題、自主設計實驗、實驗研究、數據處理、研制開發(fā)、撰寫總結報告、項目鑒定、成果推廣或論文發(fā)表等）2012.052012.07 深入研究相關學術成果及專業(yè)書籍，夯實

18、理論基礎，制定詳細的實驗計劃；2012.082012.09 對焊前兩種材料的組織性能進行分析，選取最適合試驗的組織材料；2012.102013.02 進行真空磁控濺射表面處理，探求不同材料種類與厚度對擴散連接顯微組織及力學性能的影響；2013.032013.06 進行TiAl表面活化處理，優(yōu)化工藝參數，制定后續(xù)實驗方案；2013.072013.09 進行TiAl合金擴散連接實驗，優(yōu)化連接溫度、壓力及保溫時間，得到擴散連接件；2013.102014.01 進行擴散連接件顯微組織分析及基本力學性能研究；2014.022014.05 項目總結，驗收。 七、擬利用資源（開展研究工作所需要的實驗室、創(chuàng)新

19、競賽基地、主要儀器設備、試劑、參考資料及其他工作條件等）1.依托實驗室名稱：西北工業(yè)大學稀有金屬材料與加工研究所2.相關實驗室條件： 40噸真空擴散連接設備； 光學顯微鏡（OM）； 掃描電子顯微鏡（SEM）； XRD分析儀； 顯微硬度計； 真空磁控濺射機； 掃描電鏡； 透射電子顯微鏡。3.實驗材料：高Nb-TiAl（Ti-45Al-8Nb-0.2W-0.1B-0.1Y）參考文獻：1 Loria, E. A. Gamma titanium aluminides as prospective structural materials. Intermetallics 8, 1339-1345 (20

20、00).2 李志強,郭和平. 超塑成形/擴散連接技術的應用進展和發(fā)展趨勢. 航空制造技術, 32-35 (2010).3 Gopal Das,H.Kestler. Sheet Gamma TiAl:Status and Opportunities Titanium 42-45(2004)4 劉會杰, 馮吉才, 錢乙余. SiC陶瓷與TiAl基合金擴散連接接頭的強度及斷裂路徑. 焊接, 13-17 (2000).5 馮吉才，何鵬. TiAl/40Cr 擴散連接接頭的界面結構及相成長. THE CHINESE JOURNAL OF NONFERROUS METALS 13 (2003).6 Wu,

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