大学生创新创业大赛结题答辩

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选题背景与意义1目录研究目标和内容24研究现状与结论3研究方法选题背景与意义11791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1轧制复合法：轧制复合界面过于宽化、界面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1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1意义实现了钛、钢复合材料结构功能的一体化1低成本、高效率、对环境友好的层状复合材料的制备方法2研究目标和内容2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2第三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3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:科学出版社,2002.HKato,SAbe,TTomizawa.Interfacialstructuresandmechanicalpropertiesofsteel–Niandsteel–Tidiffusionbonds[J].Journalofmaterialsscience,1997,32(19):5225-5232热压扩散制备试样编号试样编号温度(℃)保温时间（min）压力（MPa）A17001201A27301201A37601201A47901201A58201201A68201501A78201801A88202101A98202401研究方法3研究方法3第三组元诱导法--工作原理①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。②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4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42014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70072074076078080082090100110120130140150160170180抗拉强度/MPa扩散温度/℃t=120min02468100246810120140160180200220240135140145150155160165170175抗拉强度/MPa保温时间/minT=820℃02468100246810保温时间相同时，随着烧结温度的升高，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。试样编号厚度（mm）宽度（mm）下跨距（mm）弹性模量（N/mm2）屈服强度（N/mm2）最大载荷（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。TheendThankyou!请各位老师批评指正！