大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽結(jié)題答辯PPT幻燈片.ppt

1、,第三組元誘導(dǎo)法制備鈦/鋼復(fù)合材料的工藝研究,2013年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽結(jié)題答辯報(bào)告,1,2020/9/25,目錄,2,2020/9/25,選題背景與意義,1791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。,3,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,軋制復(fù)合法： 軋制復(fù)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(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,4,選題背景與意義,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)合問題。,5,選題背景與意義,意義,6,研究目標(biāo)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(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)合問題。,研究目

3、標(biāo),7,研究目標(biāo)和內(nèi)容,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,8,研究方法,文獻(xiàn)研究法,實(shí)驗(yàn)研究法,采用過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

4、忠, 陳麒.復(fù)合材料科學(xué)與工程M.北京:科學(xué)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): 5225-5232,9,熱壓擴(kuò)散制備試樣編號(hào),研究方法,10,研究方法,第三組元誘導(dǎo)法 -工作原理,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

5、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。 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)。,11,研究現(xiàn)狀與結(jié)論,項(xiàng)目主要進(jìn)展,2013年9 - 1

6、2月,2014年1 - 9月,立項(xiàng)通過。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)）,12,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(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。,13,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

7、試驗(yàn)結(jié)果,14,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100-175 MPa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。,

8、15,三點(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,16,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。,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,17,鈦/銅/鋼層狀復(fù)合板界面微觀組織形貌分

9、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

10、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，可見兩者未結(jié)合，說明在該 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。,18,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（820，180 min）、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

11、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，說明鐵原子在相同條件下較鈦原子擴(kuò)散能力強(qiáng)。,19,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，加入中間過渡金屬銅之后，制備出

12、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，說明加入中間過渡金屬銅有助于鈦/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)度大約在100-