大学生创新创业大赛结题答辩稿

第一页 第一页 尊敬的各位评委老师 大家好 我叫许婷 是来自材料卓越 121 班的学生 我们这次大创研究的 课题是 第三组元诱导法制备钛钢复合材料的工艺研究 这次研究是在竺培显 老师悉心指导下完成的 所以在这里我向竺老师表达深深的谢意 同时也向各 位老师不辞辛苦参加我们大创结题答辩表示衷心的感谢 第二页 第二页 下面我将就本课题的选题背景与意义 研究目标与内容 研究方法及研究 现状与结论四个方面向各位老师作逐一汇报 恳请各位老师指导 第三页 第三页 我们之所以选择研究钛钢复合材料的制备工艺是因为钛钢合金在复合材料 中占有举足轻重的地位 主要表现在钛钢复合材料兼有结构 功能一体化和低 成本的优势 钛钢复合材料具有非常好的耐蚀性与高的强度 钛钢复合材料被 广泛应用于石油化工 海洋工程等重要的工业领域中 第四页 第四页 而在这样的大需求下 我们现有的传统制备工艺有三种 分别是轧制复合 法 爆炸复合法和轧制 爆炸复合法 它们都存在这种种局限性 不能满足现在 对钛钢复合材料制备的要求 第五页 第五页 在这样的背景下 我们选择研究第三组元诱导法制备钛钢合金的工艺 创 新点有两点 其一 引入中间过渡层铜 解决钛钢间热力学非混溶性问题 其 二 热压扩散焊接工艺从动力学角度实现了钛铜钢间的互扩散 第六页 第六页 由此 我们对制备工艺的研究希望实现钛钢复合材料结构功能一体化并且 能为企业提供低成本 高效率 环境友好工艺的研究思路和实例 第七页 第七页 第二部分是研究的目标与内容 目标是显而易见的 就是优化钛钢复合材 料的生产工艺 为扩大生产应用提供理论依据和工艺技术参数 第八页 第八页 本课题研究的主要内容分为两点 一点是复合制备工艺的研究 即通过改 变烧结工艺参数 利用界面金相分析和 SEM 等表征手段研究保温时间 温度对 所制备复合界面的影响演变规律 第二点是研究组织 界面结构与层状复合板 材力学强度之间的关系 以此优化工艺参数 这样一个闭合的反馈奂 有利于 我们得到最优的工艺参数组合 第九页 第九页 第三部分是关于我们的具体研究方法 研究方法我们寻则了文献研究与实 验研究相结合的综合研究方法 关于文献 做实验前 我们查阅了一些关于复 合材料制备相关技术与工艺选择的各类资料 也是前人给我们的经验让我们在 项目初期省去了大量的时间与精力 我们是站在了巨人的肩膀上 我们在钢与 钛之间引入媒介金属铜 改善其互溶性 制备除了九个工艺参数不同的试样 其形貌示意图如上图 具体参数如下 10 页 我们希望通过九个试样来分析 得出最优参数 第十一页 第十一页 所谓第三组元诱导法具体是指使用真空热压扩散工艺 将钛 铜 钢置于 真空环境下加热至母材熔点以下温度 同时加以压力再经保温形成冶金式结合 界面的方法 我们在实验中先选用了铝作为中间层金属 但由于铝熔点过低 若在 650 度以下加热 钛与钢未加热到良好的扩散状态 保温冷却后出现分层 现象 高于 650 度加热时 铝出现融化现象 结合界面出现脆性 最终选定铜 作为中间层 实现钛钢复合材料形成稳定 连续的冶金式结合界面 第十二页 第十二页 最后一部分由研究现状与我们依据实验得出的结论组成 本项目的大概过 程如 PPT 所示 立项成功后的前期准备工作大约花费了四个月 之后的九个月 我们都在制备试样与对试样做基础力学测试 去年十月开始为期两个月的界面 测试与分析 如 SEM 金相组织分析等 2014 年 12 月至今 我们都在优化参 数方案 整理实验数据等 第十四页 第十四页 按照实验标准 制备拉伸试样尺寸如图所示 在黑板上画图 在加载 速度为 1mm min 的条件下进行拉伸实验 拉伸后结果如左图所示 钛铜钢层状 界面抗拉强度与扩散温度 保温时间的关系如下一页所示 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 175Maps 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 第十六页 第十六页 钛 铜 钢复合板三点弯曲试样的尺寸为 60mm 20mm 1 8mm 三点弯 曲试验的测试条件为 加载速率 1mm min 跨距 50mm 主要是考核复合板在 进行弯曲成形时 钛 铜 钢层状复合板界面分离状况 三点弯曲试样外形如图所示 可以看出 钛 铜 钢层状复合板基复层结合界 面除 A1 A2 外未出现分离现象 除 A1 A2 外的三点弯曲实验结果满足相关标 准中要求 表明该复合板在 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 第十八页 第十八页 我们在进行 SEM 测试前先对试样进行了喷金处理 使数据更加理想 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 A5 A7 A9 进行测试 其 SEM 界面微观形貌图如图 所示 由图中 a b 可以看出 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 由图中的 b c d 可以看出 在烧结温度相同均为 820 保温时 间 120min 的实验条件下 钛 铜 钢界面均有良好的复合效果 均有扩散反应 层出现 并且烧结温度相同时 随着保温时间从 120min 240min 的不断增加 扩散反应层宽度逐渐增加 第十九页 第十九页 为进一步分析结合界面的元素分布 对试样 A5 820 120min A7 820 180 min 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 第二十页 第二十页 测试结果表明 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 而通过种种测试结果分析得出结论 烧结温度