本科生创新性实验项目申请书.doc

项目编号： 吉林大学“大学生创新创业训练计划”创新训练项目申请书项目名称 模具表面缺陷等离子喷焊修复研究 项目负责人 冯宇辰 所在学院、年级、专业 材料科学与工程学院 2011级 材料成型及控制工程 联系电话电子邮件 1848052524 指导教师姓名1 王文权 职称 教授 指导教师姓名2 职称 填表日期 2013 年4月3日 吉林大学教务处制表填表须知一、本表适用于创新训练项目。本科生个人或团队，在校内导师指导下，自主完成创新性实验方法的设计、设备和材料的准备、实验的实施、数据处理与分析、总结报告撰写等工作。二、申报书请按顺序逐项填写，实事求是，表达明确严谨。空缺项要填“无”。三、申请参加大学生创新训练项目团队的人数为35人。四、申请项目，必须聘请教师作为指导老师，并请指导教师在申请书中的指导教师意见栏中签署意见。五、填写时可以改变字体大小等，但要确保表格的样式不变；不得随意涂改；A4纸正反面打印，左侧装订。六、本表由项目负责人报所在学院初审，学院签署初审意见后报送教务处实习与实验教学科（一式3份原件）。七、“项目编号”由教务处填写。八、申报过程有不明事宜，请与教务处实习与实验教学科联系，电话85166413。项目名称模具表面缺陷等离子喷焊修复研究项目起止时间2013 年4 月 至 2014 年12月负责人姓名学院专业教学号联系电话E-mailQQ各类实验班冯宇辰材料科学与工程学院材料成型及控制工程431110211384314072018480525241848052524是否项目组成员王宏岩材料科学与工程学院材料成型及控制工程4311110218946664248838903203838903203是否王银雪材料科学与工程学院材料成型及控制工程431113201820431890316010578081601057808是否李慧璇材料科学与工程学院材料成型及控制工程4311110418204318875403867436403867436是否指导教师1姓名王文权职务/职称教授所在单位吉林大学材料科学与工程学院联系电-对本课题相关领域研究情况2012年完成了吉林省科技厅项目“等离子喷焊模具修复新材料开发与应用研究”，正在从事等离子喷焊修复工作方面的工作；作为主要参加人，先后完成了“纳米陶瓷粒子新型热障涂层材料与性能研究”（总装备部武器装备预研基金项目：51461020201）、“金属基氧化铝陶瓷材料在火电站干除灰系统中的应用”（吉林省科委：20020619）、“火力发电厂磨煤系统磨损件焊接制造与修复研究”（吉林省科委：19990124）和TiNi形状记忆合金与不锈钢异质接头焊接性及实用化技术基础研究（吉林省科委：20000518）等8项课题，发表学术论文12篇，其中4篇被SCI收录，6篇被EI收录。项目性质1.小发明、小创作、小设计（ ）2.开放实验室或实习基地中的创新性实验或新实验开发（ 是 ）3.基础性研究（ ） 4.应用性研究（ ）5.社会调研 （ ）项目选题来源1.自主立题（ ）2.教师科研课题的子项目（是 ）项目学科类别 材料加工工程项目受其他渠道资助情况 无一、立项背景和依据相关技术国内外发展现状与趋势：目前，专用的模具修复合金丝材主要配合电弧堆焊、电火花沉积方法使用。用于模具修复的金属材料一般硬度很高，加工成细丝材极为困难，且成分不容易调整。我国使用的丝材主要依赖进口，成本很高。另外还需指出，其中的堆焊修复方法热输入量大，能量不集中，在被修复模具上造成的热影响区较大，容易导致模具变形甚至开裂。电火花沉积的主要问题是沉积层与基体的结合质量不确定，特别是孔隙率和致密性不连续；电刷镀方法是把修复层材料溶解于电解液中，得到的镀层一般很薄，大都小于0.3mm，镀层与基体的结合是一种机械结合，结合强度较低，而且相当多的修复材料无法制备成电解质溶液，所以这三种方法在生产应用上都受到了较大限制。研发新型材料体系，配合简单、高效而适用的表面修复工程手段，能克服以上模具修复方法的不足之处，是模具制造与修复行业的迫切需要。研究意义; 本课题采用的等离子喷焊方法，使用自行研制的合金粉作为填充材料，大大降低了模具修复成本。另外，喷焊修复过程不需要预热，不会因热输入量过大导致模具发生变形或冷却到常温后仍然存在较大的残余应力，从而降低其疲劳寿命；等离子喷焊过程的热效应，相对于模具整体，特别是体积、质量较大的模具，表面的微熔化对模具几乎没有不良影响，所以无论从技术方面比较，还是从经济角度来衡量，本项目的成功开展都具有重要意义。研究目的：通过在材料表面改性与强化领域多年的科研和教学工作，突破传统焊接和热喷涂界限，将焊接与喷涂有机结合，开创等离子喷焊方法对模具表面进行修复与强化的新技术，既避免了焊接过程高的热输入量给模具带来的不利影响，又克服了喷涂涂层结合强度过低的弊端，结合自行研制的复合粉末喷焊合金材料在压铸模具表面的初步修复实验取得了很好的效果。通过进一步深入研究和完善，掌握采用等离子喷焊方法对模具表面进行修复或强化的技术，使报废的模具重新恢复使用并延长其使用寿命，不仅节约了昂贵的开模费用，而且节省了制作模具的大量时间，项目研究成果将带来良好的经济效益和社会效益。参考文献1) 王文权，宣兆志，殷世强，孙大谦.汽车齿轮轴等离子喷涂修复.汽车工艺与材料，2003，8：3840.2) 王文权，孙大谦，宣兆志. 合金元素对高铬铸铁堆焊层耐冲蚀磨损性能的影响.汽车工艺与材料，2003，3：1416. 3) W.Q. Wang, D.Q. Sun, W.B. Gong, Z.Z. Xuan. Microstructure and Properties of Plasma sprayed nanoceramic thermal barrier coating. Aeronautical manufacturing technology, 2004, 9(253): 220-224.4) Daqian Sun, Wenquan Wang, Zhaozhi Xuan, Yeu Xu and Zhenfeng Zhou. Effect of alloying elements on microstructure and erosion resistance of Fe-C-Cr weld surfacing layer. J. Mater. Sci. Technol., 2003, 19(4): 351356.5) Sun Daqian，Wang wenquan，Xuan Zhaozhi，Ren zhenan. Effects of alloy elements on microstructures and crack resistance of Fe-C-Cr weld surfacing layer.China Welding, 2003, 11, 12(2): 92-97. 6) Sun Daqian，Wang wenquan，Xuan zhaozhi，Gong wenbiao.Microstructural features and properties of plasma sprayed YPSZ/NiCrAlY thermal barrier coating (TBC). China Welding, 2004, 11, 13(2): 91-96.7) W. Q. Wang, C. K. Sha, D. Q. Sun, X.Y.Gu. Microstructural feature, thermal shock resistance and isothermal oxidation resistance of nanostructured zirconia coating. Materials Science and Engineering A, 424 (2006)1-5.8) 宫文彪，白晶，刘威，孙大千，王文权，掺杂纳米CeO2对ZrO2-Y2O3热障涂层隔热性能的影响，复合材料学报，2009，26（1）：97101.二、项目研究内容1.项目的研究内容：（1）对待修复或强化模具取样分析、测试模具材料的化学成分、金相组织与力学性能；（2）研制相应的复合粉末合金系统，采用等离子喷焊方法制备修复层或强化层；（3）研究修复层的硬度、强度和抗热疲劳寿命，与模具本体的性能比较，并据此调整、优化合金成分，确定最佳的模具修复或强化合金系统；（4）利用研制的新型粉末合金喷焊材料，研究修复或强化生产实际中的实物模具；（5）将修复或强化后的模具在实际生产工况条件下运行，根据使用性能和使用寿命进一步完善等离子喷焊粉末合金系统和喷焊修复参数，并与合作单位共同把这一新方法推广到对其它类型模具的修复或强化。2.项目的技术关键：（1）如何选择、确定新型喷焊复合粉末合金系统的化学成分；（2）如何确保制备的修复层与被修复模具本体材料的力学性能（硬度、强度及抗热疲劳性能等）相匹配。三、项目特色及创新点1.项目的特色：传统上国内外常用电弧堆焊、电火花沉积或电刷镀等模具修复方法，本项目采用研制的复合合金粉末系统配合等离子喷焊修复模具在国内外尚属首次，可以克服传统方法的明显不足。采用等离子喷焊方法对模具进行表面修复或强化，则可以避免以上方法的种种不足。严格地说，热喷焊工艺并不是一种新发展起来的表面修复技术，以前有人利用氧乙炔作为热源，把合金粉熔敷在金属材料基体表面，也有人把它视作一种热喷焊过程。但由于热输入量也很大，其特点更接近于电弧堆焊。等离子喷焊方法是以高能等离子弧为热源，利用专门的送粉机构，把待喷焊粉末输入到高温弧束中，通过等离子弧的快速加热、加速，使处于熔化状态的喷焊粉末(实质是熔融的金属液滴)以极高的速度撞击到金属基体表面并沉积下来，形成喷焊层。获得的喷焊修复层平整、光滑，其厚度在较宽的范围内可自由调控，喷焊层成分、组织都十分均匀，而且易于实现生产过程的自动化，效率较高。另外，等离子喷焊过程对金属模具材料的热影响很有限，当模具体积较大时，则几乎不会对金属基体材料带来不良的热影响。近些年来在国外的模具修复行业内，喷焊工艺逐渐得到重视和认可，成为一种最具前景的模具修复新方法，但国内对于这一方法的研究和应用还处于刚刚起步阶段。2.项目的创新点：（1）项目研究以新型复合粉末合金喷焊材料代替钨极氩弧（TIG）堆焊配合进口专用焊丝的传统模具修复方法；（2）项目研发的新方法突破了传统焊接（堆焊）和热喷涂的表面工程技术界限，将焊接与喷涂有机结合，开创等离子喷焊修复与强化模具的新技术。四、申请理由1、团队条件：本团队成员均是吉林大学材料科学与工程学院材料成型及控制工程专业11级学生，已经系统地学习了工程制图、理论力学、材料力学,机械原理等相关课程，并参与金工实习，对焊接技术有一定的了解及熟悉程度；另外本组成员均获得奖学金，在学习能力方面十分具有自主性和开拓性,在知识掌握方面善于深入探究和灵活掌握；其次在课程实验的方面本组成员不仅对材料加工有浓厚兴趣而且也通过各种渠道积极汲取这方面的知识以及锻炼各方面的实践能力。除了成员自身素质很优秀以外团队成员也十分注重团队合作，团队中有的组织能力很强，有的动手能力很强，有的文笔方面十分出色，各成员在团队合作完成项目的同时能够各抒己长，协同配合，使得工作效率很高。2、前期准备：全组成员设计并讨论修复方案，阅读相关资料研究喷焊材料，熟悉相关实验设备并进行简单操作。五、项目实施方案研究思路和方法：采用自行研制复合粉末合金系统配合等离子喷焊方法修复表面产生缺陷（如微裂纹或磨损等）的模具,代替铸造模具厂采用的专用模具修复焊丝配合氩弧（TIG）堆焊的修复方法。实施计划：课题组负责研制修复模具的喷焊复合合金粉末材料、实际修复工作及对修复层微观组织、力学性能的分析测试等工作，以及后续的本模具修复方法在不同类型模具材料上的推广应用。具体方案是根据待修复模具材料的化学成分、金相组织及力学性能特点，配制相应的喷焊复合合金系统；采用与待修复模具本体材料完全相同的试样，制备等离子喷焊修复层和TIG堆焊(模具钢修复专用焊丝)修复层；将制备有两种修复层的试样置于相同的实际使用工况条件下进行运行测试，根据测试结果调整喷焊合金粉成分，最终使喷焊修复层组织、力学性能符合预定要求。人员分工：1、 王宏岩和李慧璇负责拟修复模具的材料进行化学成分分析和主要力学性能（硬度、强度及抗热疲劳性能等）检测，进行相关实验，得出相关实验数据。2、 冯宇辰和王银雪据实验数据研究配制构成喷焊修复层的合金材料体系，选择与优化适合模具修复的等离子喷焊规范参数。3、 全组人员选择与优化适合模具修复的等离子喷焊规范参数对缺陷模具进行修复；调整、优化喷焊合金粉末系统，完善等离子喷焊修复或强化模具的新技术。4、 实验后，王宏岩和李慧璇负责对整个实验的数据进行整理及总结。5、 冯宇辰、王银雪负责文字材料的编辑（答辩论文及相关材料的制作）。技术路线：本项目研究工作初步设定的技术路线图1所示待修复模具的化学成分、组织与性能分析根据模具材料特点研制喷焊粉末合金系统等离子喷焊修复缺陷模具试样及实物模具喷焊修复层的金相组织、力学性能研究在实际应用工况条件下检测修复后的模具喷焊粉末成分调整喷焊参数调整优化与传统堆焊修复模具做实际应用对比检测图1 项目研发工作拟定的技术路线六、项目进度安排1.2013年4月-2014年4月：分析、测试待修复模具材料的化学成分、金相组织与力学性能（硬度、强度及抗热疲劳性能等），并据此研制适合等离子喷焊使用的复合粉末合金系统。采用等离子喷焊方法制备修复层，研究修复层的硬度、强度和疲劳寿命等，与被修复模具本体材料的性能做对比，并据此来优化合金材料系统。在实际修复实验的基础上，整理相关实验数据，撰写并发表项目研究论文。2.2014年4月-2014年12月：完善研制的喷焊合金粉末材料体系，优化喷焊参数，要求制备的