大学生创业策划书

1、2012年大学生创新训练项目申 请 书项目名称 TiAl扩散连接表面处理工艺优化设计 所在学院 材料学院 申请负责人 刘书博 E-mail： liushubo-bb 联系电话导师姓名 李金山 填表日期 2012年5月4日 填 表 说 明一、申请书按照表格的要求，逐项认真填写，填写内容必须实事求是，表达明确严谨，空缺处要填“无”，第一次出现的缩写词，需注出全称。二、“项目组成员”人数原则上不超过五人。三、材料规格：用A4纸双面打印（复印），左侧装订。15申请者承诺我保证填报内容的真实性。如果获得资助，我与本项目组成员将严格遵守学校的有关规定，在不影响课程学习的同时，保证

2、项目的工作时间，并按计划认真开展研究工作，在项目研究过程中或结束时，接受学校对本项目的中期检查和结题验收，并按时提交工作总结和结题报告。申请者（签名）：成员（签名）： 年 月 日项目名称TiAl扩散连接表面处理工艺优化设计起止时间2012.052014.05申请经费20000.00元申请人或申请团队学 号姓 名年级所在学院、专业联系电话E-mail2010300827刘书博大二材料学院材料科学与工iushubo-bb2010300818杨祎大二材料学院材料科学与工anruoxin2010300819张豫丹大二材料学院材料科学与工程153199

3、76603zhangyudan2010300820陈伟大二材料学院材料科学与工henweify导师姓 名李金山学院材料学院职务/职称教授E-mailljsh电 、申请立项依据（包括项目背景、项目来源、技术依据、前期已有的研究基础，自身具备的知识条件、自己的兴趣爱好、特长等） TiAl基合金以其低密度、优良抗腐蚀性能、高温条件下高比强度和高比刚度等特点成为能够代替高温Ti合金和Ni基高温合金的一种新型高温结构材料，在航空、航天、汽车、船舶、化工及能源等多个领域具有广泛的应用前景，当其用于制备导弹、飞船、超音速飞机和坦克等发动机的关键部件时，可大

4、大提高发动机的工作性能和使用寿命。但是，常规的TiAl合金使用温度低于800，为进一步提高TiAl基合金的使用温度，近年来-TiAl合金的研究受到广泛关注，其中高Nb-TiAl合金的使用温度可达到850以上，且具有抗氧化能力强、优异的热塑性变形性能和易于通过组织控制改善性能的优点，可用于高超声速飞行器的金属热防护系统（TPS）、高推重比的发动机涡轮叶片以及整流器保护罩等部件。扩散连接作为一种形状复杂构件和整体构件的制造技术，是制备TiAl复杂构件的关键技术之一。目前关于普通TiAl合金的扩散连接技术已有不少研究，但对于第三代TiAl合金材料-高Nb-TiAl的扩散连接技术的研究较少，其中表面组

5、织状态与扩散连接工艺对扩散连接接头性能影响较大，因此，探求合理的表面处理工艺与扩散连接工艺方案对高Nb-TiAl的工业应用有着重要的意义。我们在李金山老师课题组的前期试验研究中也发现，焊前材料组织状态、表面处理工艺以及扩散温度、压力、时间等工艺参数极大影响了连接件界面组织形态，进而决定了扩散连接件的焊合率与力学性能。由于扩散连接前试样表面状态会对连接过程中原子扩散产生较大影响，且由表面凹坑引入的孔洞在扩散连接过程中很难完全闭合，成为接头失效的原因之一，加之本项目依托的课题组在TiAl基合金材料研制、塑性成形以及扩散连接技术方面具有多年的研究基础，基于此，本项目拟对TiAl合金扩散连接试样表面处

6、理技术进行相关研究。由于表面处理工艺、扩散连接的工艺参数对扩散连接接头的性能影响规律比较复杂，目前关于TiAl合金扩散连接工艺并没有统一的研究结论。目前采用的表面处理技术有机械表面处理、离子轰击等，但其对表面原子的激活作用并不是很理想。另外，扩散连接的工艺参数研究主要运用实验方法寻求各工艺参数的优化组合，但不仅温度、压力及时间之间有着相互影响，试样表面质量和检测手段等因素均会对最终优化结果产生比较大的影响。为了加深对TiAl基合金扩散连接技术的认识，本项目拟开展表面处理工艺优化设计以及扩散连接工艺方案研究。 本项目首先采用真空磁控溅射法、表面活化法等对连接件表面进行活化，通过扩散连接实验对比探

7、究不同表面活化方法对扩散连接接头性能的影响，进而实现对表面处理工艺进行优化设计。在扩散连接具体过程中，需综合考虑温度、压力、时间和中间层各方面因素影响。 西北工业大学稀有金属材料与加工研究所依托凝固技术国家重点实验室，长期从事稀有金属材料的加工与研究。近年来，在航空基金、国防预研、航空支撑、大运专项课题等10余项基础研究和科技攻关项目的支持下,在扩散连接技术方面进行了深入的研究，研究成果获得了广泛认可。本项目所使用的核心设备为40吨真空扩散焊机，其使用温度可达1200，为本项目计划的实施奠定了基础。本项目的指导老师李金山教授一直从事稀有金属材料及加工技术方面的研究，可为本项目的实施提供理论及技

8、术指导。参加本项目的四位同学均为材料学院二年级本科生，对扩散连接技术具有浓厚的兴趣，且具备一定数学、物理、计算机理论基础。团队成员在平时学习生活中，勤于思考，认真学习基础理论知识，善于获取新的思想与方法，有较强的动手能力，且具有很强的团队合作精神。希望通过本次创新实验，以所学专业为特色，依托现有实验室资源，将所学的知识融会贯通，运用于实践。二、立项研究的目的和意义 TiAl合金因具有优异的高温使用性能，可广泛用于航空航天关键部件的制备，但是，常规的TiAl合金使用温度低于800，为进一步提高TiAl基合金的使用温度，近年来-TiAl合金的研究受到广泛关注，其中高Nb-TiAl合金的使用温度可达

9、到850以上，且具有抗氧化能力强、优异的热塑性变形性能和易于通过组织控制改善性能的优点，可用于高超声速飞行器的金属热防护系统（TPS）、高推重比的发动机涡轮叶片以及整流器保护罩等部件。本创新项目针对不同表面处理工艺对于高Nb-TiAl合金扩散连接接头性能的影响规律进行研究，并基于实验结论给出有利于提升高Nb-TiAl合金扩散连接接头性能的扩散连接工艺方案。如前所述，扩散连接接头的抗拉强度、疲劳寿命均受到试样表面质量的强烈影响。扩散连接试样表面处理能够使试样表面原子处于激活状态，有利于在连接过程中的扩散进行，从而得到接头成分分布比较均匀的接头，且扩散层较大，促进孔洞闭合，使接头获得与母材相近的力

10、学性能参数；同时，较好的表面处理工艺能够提高试样表面平整度，减少由于界面不平造成的界面孔洞，降低了裂纹产生的可能。因此，表面处理工艺是高Nb-TiAl扩散连接的工艺方案中极为重要的因素之一。现有的表面处理工艺不能在很大程度上激活表面原子，无法对扩散连接过程中原子间扩散行为产生显著的促进作用并进一步提升扩散连接件的整体性能。因而对高Nb-TiAl扩散连接表面处理工艺优化设计研究意义重大。本项目注重对申请人创新能力和动手能力的培养，并与申请人所学专业密切相关，对申请人后续的专业知识学习会起到引导作用，为申请人将来从事科学研究工作打下基础。三、项目计划实施研究内容1. 表面处理工艺优化设计采用不同的

11、表面处理工艺对高Nb-TiAl试样表面进行处理，为后续优化扩散连接工艺奠定基础。具体表面处理工艺如下：（1）待连接表面机械处理：对切割后材料进行砂纸（240#-2000#）打磨-抛光处理，并作为对照组研究不同表面处理工艺对扩散连接接头性能影响；（2）磁控溅射镀膜：对表面处理后试样进行磁控溅射镀膜，靶材分别采用Ti、Al及Ni，镀膜厚度分别为100nm、500nm、1000nm，研究不同溅射材料、厚度对扩散连接性能的影响；（3）表面活化法：采用电化学方法对待连接试样表面进行处理，研究不同处理时间、温度及腐蚀液浓度配比对TiAl试样扩散连接性能的影响。2. 工艺参数对扩散连接件显微组织及力学性能的

12、影响 在40吨真空扩散连接设备上对高Nb-TiAl合金进行扩散连接，通过改变扩散连接温度、压力、时间和中间层种类及厚度，分析其对扩散连接接头显微组织及力学性能的影响规律和不同种类参数相互作用规律，并给出高Nb-TiAl扩散连接优化工艺方案。根据已有研究基础，本项目拟取扩散连接温度800、850、900、950；扩散连接压力10MPa、15MPa、20MPa、25MPa；扩散连接时间30min、45min、60min、80min。采取控制变量法研究不同扩散连接工艺参数对接头性能的影响规律，从而得出优化的工艺参数取值，并保持此值不变，进一步研究其他扩散连接工艺参数对连接件组织与性能的影响规律，得出

13、优化的组合工艺方案。4、 国内外研究概况由于高Nb-TiAl合金具有优异的高温性能以及在航空航天领域不可替代的优势，近年来，作为新型高温结构材料受到了广泛的关注，其研究过程中出现的一系列问题也成为材料科学探究的热点。此外，通过表面处理技术改善待焊表面形态，进而提高扩散连接性能，也是扩散连接领域的研究热点。目前TiAl合金的扩散连接可分为直接扩散连接（不加中间层）与间接扩散连接（加中间层）。Cam等人对TiAl合金（含C双相TiAl合金）进行直接扩散连接，研究了连接界面微观组织的变化以及对力学性能的影响，并通过对合金接头进行后续热处理，显著提高了接头的强度。另外，其还研究了合金使用不同的表面处理

14、方法（砂纸打磨、化学腐蚀）对接头的微观组织及力学性能的影响，并优化了合金所使用的连接工艺参数。Duarte等人研究了使用一定厚度的Ti/Al交替层作为中间层材料对扩散连接的影响。研究表明，当温度足够高时，Ti/Al交替层可以直接放在母材之间，并且接头处不会存在缺陷，连接完好。而当温度较低时，通过在Ti/Al交替层之间沉积一层较厚的Ti层依然可以得到较好的连接，Ti层的主要作用是降低工艺参数对材料表面质量的要求。Simoes等人研究了使用不同厚度的Ni/Al交替层作为中间层材料对合金扩散连接的影响，同时研究了不同的扩散连接工艺参数对微观组织及力学性能（包括断口形貌、断裂路径）的影响。研究表明，不

15、同厚度的交替层所对应的反应路径有很大差别，尽管其最终产物相同，断裂路径与交替层的厚度、扩散连接工艺参数有很大关系。 就目前研究成果来看，国外对于TiAl合金的扩散连接已开展了大量的研究，并已经进入大量工程化试验研究阶段。而国内在这方面的研究较少，到目前为止还没有工程化应用的报道。因而，本项目研究对于发展高Nb-TiAl合金扩散连接技术具有重要的意义。 五、研究方法、技术路线及研究中面临的技术难点和拟采取的解决办法研究方法及技术路线：（1）采用真空磁控溅射法，研究溅射材料种类与沉积层厚度对扩散连接界面显微组织与力学性能的影响；（2）采用电化学腐蚀方法,控制腐蚀时间以及腐蚀液浓度配比等因素,采用对

16、比试验探求最佳腐蚀时间及腐蚀液浓度配比；（3）改变连接温度、压力及保温时间，对TiAl合金进行扩散连接；（4）分析不同连接工艺参数下扩散连接件显微组织及力学性能，得到优化工艺方案。技术难点：（1）磁控溅射法中涂层材料Ni-Al粉的制备；（2）磁控溅射法中涂层材料厚度的控制；（3）在表面活化过程中,腐蚀液浓度配比、腐蚀时间、腐蚀温度、搅拌速率及电流等众多因素会影响表面活化结果,很难做到对所有因素进行详细的研究；（4）表面活化试验研究依赖于设备；（5）扩散连接所形成的连接件不符合常规力学检测设备所能检测的形状，检测力学性能时，需自制模具。拟采取解决办法：（1）Ni-Al合金纳米粉末：首先准备原料，

17、清理设备。然后将设备抽真空至1×10-3 Pa后通入高纯氩气清洗蒸发室34次，通入定量氩气后加热母合金，冷却和钝化完毕后收集粉末；（2）通过设计磁控溅射的工艺参数，如溅射电流，励磁电流，溅射时间等， 来控制中间层的单层厚度和层数；（3）研究在固定温度、搅拌速率及电流的条件下，腐蚀液浓度配比和腐蚀时间对表面活化程度的影响；（4）采用自制设备进行电化学活化试验 （5）自制模具用以测试扩散连接件硬度、拉伸等力学性能。六、进度安排（选题、自主设计实验、实验研究、数据处理、研制开发、撰写总结报告、项目鉴定、成果推广或论文发表等）2012.052012.07 深入研究相关学术成果及专业书籍，夯实

18、理论基础，制定详细的实验计划；2012.082012.09 对焊前两种材料的组织性能进行分析，选取最适合试验的组织材料；2012.102013.02 进行真空磁控溅射表面处理，探求不同材料种类与厚度对扩散连接显微组织及力学性能的影响；2013.032013.06 进行TiAl表面活化处理，优化工艺参数，制定后续实验方案；2013.072013.09 进行TiAl合金扩散连接实验，优化连接温度、压力及保温时间，得到扩散连接件；2013.102014.01 进行扩散连接件显微组织分析及基本力学性能研究；2014.022014.05 项目总结，验收。 七、拟利用资源（开展研究工作所需要的实验室、创新

19、竞赛基地、主要仪器设备、试剂、参考资料及其他工作条件等）1.依托实验室名称：西北工业大学稀有金属材料与加工研究所2.相关实验室条件： 40吨真空扩散连接设备； 光学显微镜（OM）； 扫描电子显微镜（SEM）； XRD分析仪； 显微硬度计； 真空磁控溅射机； 扫描电镜； 透射电子显微镜。3.实验材料：高Nb-TiAl（Ti-45Al-8Nb-0.2W-0.1B-0.1Y）参考文献：1 Loria, E. A. Gamma titanium aluminides as prospective structural materials. Intermetallics 8, 1339-1345 (20

20、00).2 李志强,郭和平. 超塑成形/扩散连接技术的应用进展和发展趋势. 航空制造技术, 32-35 (2010).3 Gopal Das,H.Kestler. Sheet Gamma TiAl:Status and Opportunities Titanium 42-45(2004)4 刘会杰, 冯吉才, 钱乙余. SiC陶瓷与TiAl基合金扩散连接接头的强度及断裂路径. 焊接, 13-17 (2000).5 冯吉才，何鹏. TiAl/40Cr 扩散连接接头的界面结构及相成长. THE CHINESE JOURNAL OF NONFERROUS METALS 13 (2003).6 Wu,

21、 G. Q., Li, Z. F., Luo, G. X., Li, H. Y. Huang, Z. Materials Science and Engineering: A 452- 453, 529-535 (2007).7 Hill, A. , Wallach, E. R. Modelling solid-state diffusion bonding. Acta Metallurgica 37, 2425-2437 (1989).8 陈逸, 钟宏，唐斌等. Ti-Zr二元体系BCC相扩散移动性的评估. 中国有色金属学报, 352-356 (2010).9 Campbell, C., B

22、oettinger, W. & Kattner, U. Development of a diffusion mobility database for Ni-base superalloys. Acta Materialia 50, 775-792 (2002)10 熊江涛，李京龙，吕学超等，微米级Mo-Al轧制箔扩散连接界面相的形貌及反应动力学，金属学报44,943-948（2008）11 何鹏, 冯吉才, 钱乙余等. 异种材料扩散连接接头残余应力的分布特征及中间层的作用. 焊接学报, 76-80+70 (2002).12 Li, Z. R., Liu, B., Zhang, X.

23、 L. Feng, J. C. Microstructure and Mechanical Property of GH4169 Joints by Vacuum Diffusion Bonding. Advanced Materials Research 314, 1180-1183 (2011).13 He, P., Fan, L., Liu, H. Feng, J. C. Effects of hydrogen on diffusion bonding of TiAl-based intermetallics using hydrogenated Ti6Al4V interlayer.

24、International Journal of Hydrogen Energy 35, 13317-13321 (2010).14 Duarte, L. I. et al. Solid-state diffusion bonding of gamma-TiAl alloys using Ti/Al thin films as interlayers. Intermetallics 14, 1151-1156 (2006)15 Çam, G., Clemens, H., Gerling, R. Koçak, M. Diffusion bonding of -TiAl she

25、ets. Intermetallics 7, 1025-1031 (1999).16 Çam, G., İpekolu, G., Bohm, K. Koçak, M. Investigation into the microstructure and mechanical properties of diffusion bonded TiAl alloys. Journal of materials science 41, 5273-5282, (2006)17 Simões, S. et al. Diffusion bonding of TiAl using N

26、i/Al multilayers. Journal of materials science 45, 4351-4357, (2010).18 Simões, S., Viana, F., Ramos, A. S., Vieira, M. T. Vieira, M. F. Diffusion bonding of TiAl using reactive Ni/Al nanolayers and Ti and Ni foils。 Materials Chemistry and Physics 19, 350-356 (2011)19 Ramos, A. S., R. Calinas, et al. The form