大学生创新创业大赛结题答辩.ppt

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1、,第三组元诱导法制备钛/钢复合材料的工艺研究,报 告 人：许婷 指导教师：竺培显,2015年5月,2013年大学生创新创业大赛结题答辩报告,目录,选题背景与意义,1791年W.格雷戈尔在矿物中发现一种未知新元素。,1795年德国化学家在研究金红石时发现了该元素命名为钛,钛/钢层状复合材料由于具有经济性和功能性兼备的特点,正在各个领域广泛应用。特别是其同时具有钢的优异强度、热传导性、焊接性以及钛的良好耐蚀性的钛钢复合材在海洋、沿海陆地作为结构件更具应用前景。,传统三种方式，均存在局限性，不能满足需求,人类活动向深海发展，需钛钢复合材料的支持,选题背景与意义,轧制复合法：轧制复合界面过于宽化、界面

2、物相的可控性及冶金式结合程度等方面受到严重约束,爆炸复合法：爆炸法生产复合材料制品的尺寸受到限制,并且存在着振动、噪音、炸药处理等问题,爆炸-轧制法：在接合界面易生成脆性层，并且该方法污染严重还不适于连续化生产及生产薄板,选题背景与意义,第三组元诱导法,第三组元诱导法制备钛/钢复合材料的工艺研究,利用媒介金属（铜），改善钛、钢之间的互溶性，实现钛-钢的冶金式结合。利用能量补偿原理，解决钛、钢之间的界面结合问题。,选题背景与意义,意义,研究目标和内容,为了改善钛、钢之间的互溶性，本次研究利用能量补偿原理，在钛和钢之间引入媒介金属，以此解决钛、钢之间的界面结合问题。,研究目标,研究目标和内容,第三

3、组元诱导法制备工艺及对钛-钢复合材料力 学、界面影响 研究钛钢界面形成机理与演变规律,研究内容,研究方法,文献研究法,实验研究法,采用过渡金属的界面能量调控法和能量补偿原理，在钛、钢之间引入媒介金属，改善钛、钢之间的互溶性，以此实现钛、钢之间稳定、连续的界面结合，制备出具有稳定、连续的界面结合的。因此，本研究的设想方案为：在钛、钢之间引入媒介金属铜，采用真空热压扩散焊接法制备钛/钢层状复合材料，加热温度为700-950，保温时间0.5-4小时，其制备出的钛/钢层状复合材料形貌如图所示。,图书、CNKI 中国学术期刊全文数据库或者万方学位论文数据库等，如:倪礼忠,陈麒.复合材料科学与工程M.北京

4、:科学出版社,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,热压扩散制备试样编号,研究方法,研究方法,第三组元诱导法-工作原理,真空热压扩散法的制备 真空热压扩散焊接法是把两个或两个以上的金属材料（包括中间层材料）紧压在一起，置于真空环境中中加热至母材熔点以下温度，对其施加压力使连接界面微观凸凹不平处产生微观塑

5、性变形达到紧密接触，再经保温、原子相互扩散而形成牢固的冶金式结合的一种连接方法。热压扩散焊接的特点是可获得与基体性能一致的接头性能，可对性能和尺寸相差悬殊的材料进行焊接，且没有宏观变形，接头残余应力小。因此，在本研究中真空热压扩散焊接法是一种最为理想的制备钛/钢层状复合材料的方法。钛/钢层状复合材料稳定、连续的冶金式结合界面 中间媒介金属采用铜，铜与基体钢属于互溶体系，可以形成稳定的连续型固溶体，从而为实现钛/钢层状复合材料稳定、连续的冶金式结合界面的形成奠定了基础。,研究现状与结论,项目主要进展,2013年9-12月,2014年1-9月,立项通过。查找与课题相关的文献资料，并对所阅读的文献进

6、行总结讨论。制定与修改实验方案，并对本实验所需材料的制备,根据实验方案制备实验所需试样，实验试样的制备与试样测试的准备工作，联系实验室进行实验试样的测试（三点弯曲和拉伸实验）,研究现状与结论,2014年10月-11月,2014年12月至今,借助分析测试手段，研究钛钢界面形成机理与演变规律。探讨复合过程工艺参数对界面形成的影响规律，总结此研究结果。,研究钛/钢层状复合材料制备关键技术,研究钛钢界面形成机理与演变规律,整理实验数据，调整和优化实验方案。,拉伸实验力学性能测试,图 钛/铜/钢层状复合板拉伸试验结果,图 界面抗拉强度与烧结温度关系,图 界面抗拉强度与保温时间关系,保温时间相同时，随着烧

7、结温度的升高，界面的抗拉强度随之升高。因为温度低时，原子互扩散量少，抗拉强度低；而当温度提高时，原子互扩散量提高，使抗拉强度升高。经700-820扩散温度、120min保温时间处理后，界面抗拉强度大约在100-175MPa之间。在820扩散，随着保温时间的延长，虽然抗拉强度持续下降，但是其断裂位置均位于基材钢板一侧，由此可证明A5-A9试样的结合界面的抗拉强度大于基材钢板的抗拉强度。经820扩散温度、120-240min保温时间处理后，界面抗拉强度大约在140-175MPa之间。,三点弯曲试验力学性能测试,图 钛/铜/钢层状复合板三点弯曲试验结果,该复合板在760及以上温度条件下真空热压扩散复

8、合具有良好的塑性加工能力，在进行成形加工时，能够进行弯曲变形。对钛/铜/钢层状复合板具有良好弯曲性能的原因进行分析可知，一是TA2钛板本身和Q235钢都具有较好的塑韧性，具备良好的塑性成形能力；另外，工艺试验中采用了合适的真空热压工艺参数，在两种基材的结合界面处未产生明显的缺陷，如杂质相及其它裂纹源等，因此在弯曲试验中，钛/铜/钢复合板表现出良好的塑性成形能力和抗弯曲力。,三点弯曲试验数据结果,三点弯曲试验数据结果,钛/铜/钢层状复合板界面微观组织形貌分析,在测试试验开始前，为增强试样的导电性，利用E-1010离子溅射装置在需要观测的试样表面进行镀金处理，使试验所得的数据照片效果更加理想。,对

9、钛/铜/钢层状复合板材进行界面分析，其中A1-A3试样经切割后，中间过渡层铜与基材钛、铁之间存在较大裂缝，可以认为是其扩散温度低、保温时间较短，界面未形成良好的扩散，复合效果不佳，其余试样选择具有代表性的A4(790，120min)、A5（820，120min）、A7（820，180min）、A9(820，240min)进行测试，其SEM界面微观形貌图如图所示。,钛/铜/钢复合板材SEM界面微观形貌图（放大2000）,在保温时间相同均为120min时，烧结温度为790的试样钢侧与中间过渡层Cu之间有肉眼可见的缝隙，可见两者未结合，说明在该实验条件下，钢与Cu并不能得到良好的界面复合效果，只有钛

10、侧与Cu在界面发生了扩散反应，实现了较好的结合且有反应层出现；而烧结温度820的试样钢与钛两侧均与中间过渡层Cu发生了扩散反应，均达到了良好的界面复合效果，说明在烧结温度为820时，钛/铜/钢界面具有良好的复合效果。,为进一步分析结合界面的元素分布，对试样A5（820，120min）、A7（820，180min）、A9（820，240min）进行界面线扫描，结果如图所示。,三种试样的钢侧与钛侧碳元素含量基本保持不变，随着保温时间的延长，铜元素从扩散层至钛板一侧含量具有小幅度的增加，钛、铁元素呈X型分布，铁元素在钛侧的扩散量随保温时间的延长而稍有增加，钛元素在钢侧含量较低且没有明显变化，说明铁原

11、子在相同条件下较钛原子扩散能力强。,在钛/钢层状复合材料发展状况和钛/钢层状复合材料制备工艺的基础上，根据钛、钢两种金属的特性和钛、钢直接复合的各项缺陷，提出了在钛、钢之间加入中间过渡金属铜的热压扩散复合的制备方法，制备出界面结合稳定的钛/铜/钢层状复合板材。在对实验制备出的钛/铜/钢层状复合板材进行了全面测试之后，得出以下结论：,（1）SEM、线扫描测试结果表明，与钛、钢直接复合的材料相比，加入中间过渡金属铜之后，制备出的层状复合板材结合处形成的金属化合物有明显的减少，说明加入中间过渡金属铜有助于钛/钢复合板材的复合。SEM测试结果表明，在烧结温度相同时，随着保温时间的延长，中间扩散层宽度逐

12、渐增加；界面线扫描测试结果表明，在烧结温度相同时，随着保温时间的延长，铜元素从扩散层至钛板一侧含量具有小幅度的增加，钛、铁元素呈X型分布，铁元素在钛侧的扩散量随保温时间的延长而稍有增加；以铜作为中间层，采用热扩散法制备的以钛/钢层状复合材料界面结合良好，铜中间层的加入使得钛和钢在CuTi等化合物中间层的作用下，实现了钛与钢界面的牢固结合。,（2）拉伸实验结果表明，随着温度的提高，抗拉强度逐渐加强，其界面抗拉强度大约在100-175MPa之间；当达到820之后，断裂处位于基材钢板一侧，说明复合界面的抗拉强度已大于基材钢板的抗拉强度。,（3）三点弯曲实验表明，在760及以上温度条件下真空热压扩散复合具有良好的塑性加工能力，在进行成形加工时，能够进行弯曲变形。,由上述实验优化出最佳工艺参数，最佳工艺参数为：烧结温度820，保温时间240min。,Thank you!,请各位老师批评指正！,