创新实验计划终极版.docx

1、创新实验计划终极版项目编号： 吉林大学“大学生创新性实验计划”项 目 申 请 书项目名称 高温铜基活性钎料钎焊立方氮化硼界面组织性能 项目负责人 * 学院、年级、专业 材料学院07级材料成型及控制专业 联系电话 * 电子邮件 * 指导教师姓名 * 职称 教授 填表日期 2009 年 04 月 15 日 吉林大学教务处制表填表说明一、吉林大学大学生创新性实验计划项目申请书要按顺序逐项填写。填写内容要实事求是，讲究诚信，不能有雷同；表达要明确、严谨。空缺项要填“无”。要求一律用A4纸打印，于左侧装订成册。 二、申请参加“吉林大学大学生创新性实验计划”项目团队人数不得超过5人（1人为项目负责人，参与

2、合作研究者4人以内）。三、申请参加“吉林大学大学生创新性实验计划”项目的个人或团队必须聘请教师作为项目指导教师，并请指导教师在申请书上签名。四、吉林大学大学生创新性实验计划项目申请书由项目负责人所在学院初审，签署意见后报送教务处实习与实验教学科（一式3份原件）。五、“项目编号”由教务处填写。 项目名称高温铜基活性钎料钎焊立方氮化硼界面组织性能申请经费10000（元）起止时间2009年 04 月 至 2010 年 12 月负责人教学号姓名年级所在学院、专业联系电话E-mail*参加成员*指导教师姓名学院材料学院职称教授E-mail*联系电话*签名一、项目申请理由（包括项目背景及自身具备的知识、素

3、质、能力和已参加过的研究等条件）1.项目背景立方氮化硼（Cubic Boron Nitride，简称c-BN）的硬度仅次于金刚石，具有优越的物理、化学、力学和热稳定性能，在大气中加热至1000时不发生氧化，尤其是不存在着金刚石制品加工黑色铁基合金材料发生反应的局限性，非常适合加工黑色铁基合金材料，如淬硬钢、高速工具钢、轴承钢、不锈钢、耐热钢和钛合金等高硬度韧性大的金属材料，成为新一代超硬材料，被国际材料界作为金刚石的替代材料。特别是近年来随着技术创新与高技术产品的不断涌现，零件的加工精度与表面完整性要求愈来愈高。例如，摄像头、影碟机等精密零件的加工精度已提高到0.01um，激光陀螺平面反射镜的

4、平面度误差要求小于0.01 um，汽车凸轮轴和发动机内腔的表面粗糙度要求达到Ra0.005um0.01 um。传统技术与加工材料（如采用硬质合金刀具和Al2O3砂轮磨削进行生产）难以满足生产需要，超硬材料替代传统硬质材料用于生产日趋明显。而在钻探方面，c-BN对勘探铁矿床、中低温硫化矿床以及含有铁质的氧化带的矿床和在未来高温深井钻探与地热钻探等方面亦具有广阔的应用前景。 c-BN的延展性和冲击韧性低，机械加工性能差；同时，c-BN与金属原子键结构的不同，表现出非常稳定的电子配位，很难被熔化的液态金属所润湿，因此c-BN制品和工具多采用烧结或电镀工艺制造。采用烧结或电镀工艺制造的c-BN制品和工

5、具，c-BN颗粒只是被机械包埋镶嵌在结合层金属中，制品和工具在使用过程中c-BN颗粒极易脱落，降低其有效使用寿命。20世纪90年代末，随着先进的现代连接技术的发展，c-BN之间及其与其它金属的连接成为钎焊界研究的热点之一。采用银基活性钎料钎焊c-BN，实现了c-BN间及其与钢基体的可靠连接。与传统的电镀、烧结技术比较，银基活性钎料与c-BN的结合强度显著提高。银基活性钎料钎焊c-BN，成本高，工作温度低，制品和超硬耐磨涂层的高温性能与c-BN的热稳定性不匹配，不能满足c-BN作为高温耐磨材料的要求。尤其是近几年，c-BN用作发动机活塞环、燃气轮机的发动机、压缩机的叶片表面形成具有永久的耐磨性和

6、耐氧化性超硬涂层，因此高温钎料钎焊c-BN成为发展趋势。为此，本项目开展了高温铜基活性钎料对c-BN的焊接性与微观结构的研究，为研究适合钎焊c-BN的工艺、方法和钎料提供指导。 采用先进的现代连接技术制备c-BN制品及其工具是近几年发展起来的一项高新技术。20世纪90年代末，随着先进的现代连接技术的发展，c-BN之间及其与其它金属的连接成为钎焊界研究的热点和前沿之一。 2. 自身具备的知识、素质、能力、参加过的实践本项目负责人*，吉林大学材料科学与工程学院材料成型及控制工程专业07级本科生；2007年以优异的高考成绩，高出黑龙江省高考重点录取线40分考入吉林大学材料学院，现任材料学院学生会学习

7、部副部长；学习踏实刻苦，基础知识掌握扎实；2008年获得一等奖学金,“校优秀学生”称号；通过近两年的学习掌握了一定的实验技巧和基础实验仪器的原理及使用方法，具有较强的动手能力；曾经参加组织演讲比赛，知识竞赛；工作能力有了明显的提高，组织能力团队组织意识显著增强。参加成员*、*、*，吉林大学材料科学与工程学院材料成型与控制工程专业07级本科生；分别在团委、学生会、社团联合会担任职务，参加并组织学院内各大型活动，经验丰富，工作能力有了很大程度的提高。参加成员王玉玺，吉林大学材料科学与工程学院材料物理专业07级本科生，掌握材料学的基础知识。材料加工工程与材料学理论相结合，发挥了交叉学科优势。项目组组

8、成的研究团队具有良好的英语基础、数学基础，掌握一些专业课知识，如物理化学、材料科学基础、材料力学等；通过老师讲授和自学，现已掌握一些现代材料成型的工艺和方法；通过大学物理实验、普化实验及材料科学实验，实验分析能力逐渐增强；通过金工实习、认识实习，动手实践能力进一步提高；通过两年来的学习与交流，彼此间培养了良好的默契，团队意识明显增强；实验期间，通过广泛查阅资料，对焊接技术和c-BN超硬材料有了一定认识。二、项目研究内容（目前研究的现状、主要研究内容，重点和难点及可能的创新点，研究思路和方法等）1.目前研究的现状美国、俄罗斯、白俄罗斯、德国和日本等已开始尝试采用钎焊技术制备c-BN制品。国外关于

9、c-BN材料的连接研究的最初报道是在1999年。C.M.Sung、Jan.Felba等人采用真空钎焊技术，使用银基钎料制备c-BN砂轮。研究发现，钎料与c-BN界面发生了诸如溶解、扩散、化合之类的相互作用，从根本上改善了c-BN、结合剂（钎料）、基体三者间的结合强度。与传统烧结或电镀的c-BN砂轮比较，结合强度提高30-40。2003年，德国哥策公司也开展了此方面的研究，用于提高发动机活塞环的耐磨性。通过在活塞环工作面上，采用银基钎料在基体钢表面钎焊一层c-BN超硬耐磨涂层，可显著提高活塞环的耐磨性能和承载能力。研究表明，施加c-BN超硬耐磨涂层，活塞环工作面将永久存留一层润滑油膜，活塞环的耐

10、磨性较普通环提高2倍以上。德国唯一能够研发、制造和维修各种军用和民用发动机部件的MTU慕尼黑公司，开展了在高压涡轮机中采用永久耐磨防护发动机叶片的可行性研究。MTU慕尼黑公司的研究人员研究了三种不同方法的适应性：1.电镀c-BN细单晶；2.等离子喷涂ZrO2；3.钎焊c-BN细单晶。结果表明，用银基钎料将c-BN细单晶钎焊在钛合金表面可使结合强度最大、最耐腐蚀与耐磨。日本三菱重工业株式会社在日本和中国等国家申请近10项发明专利，在燃气轮机、燃气轮机的发动机、压缩机等的叶片顶端部分的金属基体上涂覆一层耐磨性涂层，以及涂覆该耐磨性涂层的方法。采用银基钎料将c-BN钎焊在基体钢表面上，形成超硬耐磨涂

11、层，由此形成的超硬涂层具有永久的耐磨性和耐氧化性。银基钎料钎焊制备c-BN超硬耐磨涂层，成本高，工作温度低，钎料与c-BN间的结合强度仍然较低，在高应力作用下极易从界面连接处剥离和脱落，不能充分发挥c-BN超硬耐磨的作用。2003年，美国Norton公司用铜基钎料将c-BN超硬磨粒钎焊在基体钢表面上，其结合强度可达1.55Mpa。高温钎料制备c-BN超硬复合材料成为发展趋势。我国c-BN连接技术研究仅处于起步阶段。迄今为止，有关c-BN超硬材料连接的系统研究报道较少，存在的主要问题是制造成本高、c-BN/钎料界面结合强度低、耐热温度与实用要求相比仍有较大差距；缺少能够连接c-BN的高温钎料；有

12、关钎料与c-BN连接机理不清楚。因此，开展c-BN超硬材料连接，不仅有利于掌握c-BN超硬材料耐磨涂层制造技术，创造可观的经济和社会效益，而且可丰富超硬材料连接方法，具有重要的理论及实用价值。2.主要研究内容（1）采用兼有上下界约束的混料试验极端顶点设计方法，对高温铜基活性钎料的成分进行优化，分析合金元素对钎料的性能影响；（2）研究铜基活性钎料钎焊c-BN的焊接性与微观结构，应用键参数理论揭示高温铜基活性钎料与c-BN发生冶金作用的机制。3.重点难点及可能的创新点重点及难点：揭示真空钎焊过程中，高温活性钎料与c-BN界面间的相互作用机制和对c-BN的润湿性。 可能的创新点：采用真空钎焊技术，实

13、现c-BN超硬材料之间和与金属的可靠直接连接，充分发挥超硬材料的耐磨性。4.研究思路和方法研究思路： （1）采用真空钎焊技术研究Cu-Ti、Cu-Ni-Ti系钎料对c-BN的润湿性与连接性；（2）通过混料设计，优化钎料成分；（3）采用电子探针、扫描电镜、透射电镜、X射线衍射仪研究c-BN/钎料界面成分及组织结构特点，力学性能，揭示界面连接机理。技术工艺路线：真空钎焊设备调试c-BN与钎料界面组织结构特点研究钎料成分优化设计建立钎料成分与剪切强度、润湿性能的回归方程分析合金元素对其性能影响最优成分研究分析工艺参数对高温活性钎料影响试件试制及测试。注：此栏可附页三、项目进度安排（查阅资料、选题、自

14、主设计项目研究方案、开题报告、实验研究、数据统计、处理与分析、研制开发、填写结题表、撰写研究论文和总结报告、参加结题答辩和成果推广等）2009年04月2009年06月：查阅资料，选题、自主设计项目研究方案、开题报告，试验准备，试验方案确定；2009年09月2009年12月：真空钎焊设备调试，工装夹具制作，c-BN与钎料界面组织结构特点及连接机理研究；2010年01月2010年05月：最优成分研究；2010年06月2010年09月：试样试制；2010年10月2010年12月：数据统计及处理分析，撰写论文，填写结题报告，结题答辩。四、拟利用资源（实验室、仪器设备、实验材料、资料等）仪器设备：1.钎

15、焊设备：高真空高温钎焊炉；2.工装夹具及实验试样制备：加工机床、砂轮机、线切割设备；3.试样处理及观察设备：电子拉伸试验机、VIDAS图像仪、电子探针、扫描电镜、透射电镜、X射线衍射仪。实验主要材料：立方氮化硼，有色金属，铜基钎料。资料：1.相关著作：1王秦生,超硬材料及制品,郑州大学出版社，2006年10月第一版.200-214.2庄鸿寿，高温钎焊，国防工业出版社，1989年四月第一版.1-25.3粟枯，真空钎焊，国防工业出版社,1984年第一版.3-6、11-20. 2.相关领域国内外文献和专利:1王毅，邱小明，任露泉，等.CuNiZnTi钎料钎焊c-BN焊接性与微观结构J.稀有材料与工程

16、，2007，36（3）：343-346.2J.Angsergd,M.Elfwing,E.olsson.H.O.Andren.Detailed microstructure of a c-BN based cutting tool materialJ.Int.Journal of Refractory metals&Hard materials,2009,27:249-255.3Daniela Herman,JanKrzos.Influence of vitrified-bond structure on radial wear of c-BN grinding wheelsP.Journal

17、of Material Processing Technology (2008),dio.10.1016/j.jmatprotec.2009,03.013.4W. F. Ding,J. H. Xu,M. Shen ,Y.C.Fu,B.Xiao,H.H.Su ,H.J. Xu. Development and performance of monolayer brazed c-BN grinding toolsJ. Int J Adv Manuf Technol, 2007,34:491495.5任露泉，卢广林，邱小明，等.制备c-BN复合材料的方法P.中国：200610016981.4.6Yo

18、shio Inchida.Mechaniced properties and grinding performance of ultrafine-crystalline c-BN abrasire grainsJ.Diamond&Related Metrials, 2008, 17 :1791-1795.7 A. Ghosh, A.K. Chattopadhyay .Experimental investigation on performance of touch-dressed single-layer brazed c-BN wheelsJ. International Journal

19、of Machine Tools & Manufacture, 2007, 47: 1206 1213.8Andrze J G,Tomasz K.Assessment method of cutting ability of c-BN gring wheelsJ.International Journal of Machine Tools Manufacture , 2005, 45: 1256-1260. 五、项目经费预算与用途（购置实验消耗材料（低值品）、资料、加工测试、打字复印、调研、市内公交、论文版面费、专利申请费等经费开支）总额：10000元其中： 实验材料费： 4000元 （立方氮

20、化硼、有色金属、试剂材料）加工费： 2000元 （原材料及辅助材料加工、试样加工）性能测试费： 2500元 （试样实验测试、界面组织性能研究）资料费： 1000元 （资料打印复印费、论文版面费）交通、通讯费：500元 六、项目预期成果（研究论文、设计、调研报告、申请专利、开发软件、研制产品、项目鉴定等）（1）项目完成后提交详细的研究报告；（2）提供满足性能指标要求的样件；（3）发表论文2篇。 七、项目诚信承诺 本项目负责人和全体成员郑重承诺，该项目研究不抄袭他人成果，不弄虚作假，按项目研究进度保质保量完成各项研究任务。项目负责人签名： 项目组成员签名： 2009年04月15日 2009年04月15日 八、指导教师意见（从项目科学性、前沿性、可行性、研究性、可操作性和成效性加以评价）该项目立意新颖，目标明确，内容具体，研究路线可行；项目研究符合国家的科技和产业政策，强调基础研究，其研究成果前景非常巨大。 签 名：2009年04月15日九、学院意见工作组组长签名（公章）：年 月 日十、校专家组评审意见 专家组组长签名：年 月 日十一、学校意见 领导小组组长签名（公章）：年 月 日