大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目中期報(bào)告-更改版(共18頁)

1、編號(hào)：哈爾濱工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目中期檢查報(bào)告項(xiàng)目名稱：W-ZrO2和Mo-ZrO2復(fù)合材料的力學(xué)性能及抗熱震性能研究項(xiàng)目級(jí)別： 國家級(jí) 執(zhí)行時(shí)間： 2015 年 11月至 2016 年 11 月負(fù)責(zé)人：肖云臻學(xué)號(hào)：1141900221聯(lián)系電話子郵箱：1097794314院系及專業(yè)：材料科學(xué)系 材料科學(xué)與工程專業(yè)指導(dǎo)教師：王玉金職稱：教授、博士導(dǎo)師聯(lián)系電話子郵箱： wangyuj院系及專業(yè)： 材料科學(xué)系材料科學(xué)與工程專業(yè) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科生院填表日期： 2016年 4 月 10 日一、課題組成員：（包括項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、按順序）姓名性

2、別所在院年級(jí)學(xué)號(hào)身份證號(hào)本人簽名肖云臻男材料學(xué)院14級(jí)本1141900221430421199609162873姚子月女材料學(xué)院14級(jí)本1141900224500241199308052024曾波男材料學(xué)院14級(jí)本1141900225511025199908187872二、指導(dǎo)教師意見： 簽 名： 年 月 日三、專家組意見：1是否達(dá)到中期目標(biāo)（在內(nèi)打）：達(dá)到中期目標(biāo) 基本達(dá)到中期目標(biāo) 未達(dá)到中期目標(biāo)2成績?cè)u(píng)定（在內(nèi)打）： 合格 改進(jìn)后可繼續(xù)執(zhí)行不合格，項(xiàng)目實(shí)施意見： 提出警告、觀察后再定繼續(xù)執(zhí)行或中止 中止實(shí)施3其它意見和建議： 組長簽名： （ 蓋 章 ） 年 月 日19四、項(xiàng)目研究中期報(bào)告1

3、、 項(xiàng)目簡介在高溫合金的熔煉過程中，介于長時(shí)間的高溫循環(huán)、強(qiáng)輻射等苛刻的服役環(huán)境，對(duì)坩堝材料的綜合性能提出了較高的要求。本項(xiàng)目旨在制備用于高溫合金（2000K）熔煉的W-ZrO2和Mo-ZrO2復(fù)合材料。通過研究其物相、組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和抗熱震性能，評(píng)價(jià)該體系復(fù)合材料是否滿足極端環(huán)境下的使用要求。項(xiàng)目的可操作性較高，應(yīng)用背景較為廣泛，對(duì)于高溫合金熔煉的發(fā)展具有較大的促進(jìn)作用。由于一些客觀條件的限制，本項(xiàng)目在參考相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)之上選取了其中較為科學(xué)的各成分組成方案加以研究。 2、立項(xiàng)背景在高溫合金熔煉的過程中，熔煉坩堝材料的合理選取是影響合金熔融體純度的一個(gè)關(guān)鍵因素。介于熔煉坩堝長時(shí)間處于

4、高溫?zé)嵫h(huán)、強(qiáng)輻射等苛刻的使用環(huán)境下，故對(duì)熔煉坩堝材料的綜合性能提出了較高的要求。既要具有高熔點(diǎn)（2000K）、低熱導(dǎo)率（1W/m·K）、低熱膨脹系數(shù)和高化學(xué)穩(wěn)定性，保證在坩堝壁的腐蝕產(chǎn)物及基體中部分元素在高溫下熔解或與合金元素反應(yīng)，污染了合金的純度；又要具有優(yōu)良的抗熱震性能，保證熔煉坩堝在循環(huán)熱載荷下保持必要的服役時(shí)間。目前熔煉合金用坩堝多采用石墨作為基體材料加以耐侵蝕的陶瓷涂層，石墨坩堝上采用涂層基體與涂層結(jié)合強(qiáng)度不高，二者物理性能差別較大，高溫下強(qiáng)度下降，結(jié)合處開裂并脫落，造成污染，不利于重復(fù)利用。此外，石墨坩堝無可避免的會(huì)引入碳雜質(zhì)。在此背景下，選擇具有較高熔點(diǎn)的W或Mo為基

5、體ZrO2增強(qiáng)的復(fù)合材料有望成為新一代用于高溫合金熔煉的坩堝材料。鎢是銀白色有光澤的金屬，熔點(diǎn)極高（3410±20），硬度很大，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。日本東芝技術(shù)研究所開發(fā)20vol%Y2O3p/W復(fù)合材料在1000-1300時(shí)，其抗彎強(qiáng)度達(dá)750MPa，是純W燒結(jié)體的5倍以上。近期有報(bào)道在W中添加HfC、ZrC、TiC等碳化物和ThO2、ZrO2、La2O3等氧化物及TiB2等其他化合物對(duì)W具有彌散強(qiáng)化的作用，有利于提高鎢合金的高溫力學(xué)性能。鉬為銀白色金屬，硬而堅(jiān)韌。鉬主要用于鋼鐵工業(yè)，其中的大部分是以工業(yè)氧化鉬壓塊后直接用于煉鋼或鑄鐵，少部分熔煉成鉬鐵鉬箔片后再用于煉鋼。鉬絲多用于高溫電

6、爐和還有線切割加工；鉬片用來制造無線電器材和X射線器材；鉬坩堝耐高溫且耐燒蝕，主要用于火炮內(nèi)膛、火箭噴口、電燈泡鎢絲支架的制造。氧化鋯為白色晶體；無臭、無味。在1100以上形成四方晶體，在1900以上形成立方晶體。氧化鋯是一種兩性氧化物，由于其本身的高熔點(diǎn)、抗氧化和其它高溫優(yōu)良特性，被廣泛應(yīng)用于耐火磚和坩堝的制備。等離子噴涂氧化鋯熱障涂層在航空及工業(yè)用燃?xì)廨啓C(jī)上的應(yīng)用已有很大進(jìn)展。氧化鋯的加入可以顯著地改善高溫部件的耐久性、或者容許提高燃?xì)鉁囟然驕p少冷卻氣體的需用量而保持高溫部件所承受的溫度不變，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。可見，若能在金屬鎢和金屬鉬中引入氧化鋯增強(qiáng)體，就能在極大程度上提高熔煉坩堝的

7、各項(xiàng)性能。這一課題的主要研究意義在于：制備的W-ZrO2和Mo-ZrO2復(fù)合材料可為的高溫合金熔煉坩堝的制備過程提供原始數(shù)據(jù)；可以進(jìn)一步為該體系復(fù)合材料的開發(fā)和利用提供經(jīng)驗(yàn)。這會(huì)是一次全新的數(shù)據(jù)摸索與測試，并沒有相關(guān)的參數(shù)基準(zhǔn)輔佐。如果取得了較為重要的結(jié)果，在民用反面收效頗豐，也將會(huì)為工業(yè)發(fā)展和國防等領(lǐng)域做出巨大貢獻(xiàn)。3、項(xiàng)目方案3.1 項(xiàng)目計(jì)劃（1）W-ZrO2和Mo-ZrO2復(fù)合材料的制備（1500，30MPa，1h）（2）相對(duì)密度（Archimedes method）和物相分析（XRD）（3）組織結(jié)構(gòu)觀察（SEM）（4）常溫力學(xué)性能測試（力學(xué)試驗(yàn)機(jī)）（5）宏觀抗熱震性能和熱震殘留強(qiáng)度測試

8、（冷熱循環(huán)箱、SEM、力學(xué)試驗(yàn)機(jī)）3.2 技術(shù)路線3.2.1 W-ZrO2和Mo-ZrO2復(fù)合材料的制備稱取一定體積分?jǐn)?shù)比的W、Mo和3Y-ZrO2粉，球料比為6：1放入球磨罐中，密封球墨24h（n=50r/min），放入鼓風(fēng)干燥箱中80干燥12h。研磨后，將混合粉末置于Ø50mm的石墨模具中，放入真空熱壓燒結(jié)爐中進(jìn)行熱壓燒結(jié)（1500，30MPa，1h），設(shè)計(jì)試樣尺寸為Ø50×5mm3。3.2.2 相對(duì)密度測定材料的體積密度采用Archimedes排水法測量。實(shí)驗(yàn)儀器：高精密度分析天平。注意：測量前將試樣置于超聲清洗器中清洗710min，并在取出后吹干，為降低實(shí)

9、驗(yàn)的偶然誤差，每種成分至少測三個(gè)試樣，取中間值。3.2.3 XRD物相分析實(shí)驗(yàn)儀器：日本理學(xué)D/max-B型X射線衍射儀（加速電壓和電流分別為40kV和50 mA，掃描角速率為4°/min，測角儀步長0.02°，掃描范圍10-90°）實(shí)驗(yàn)材料：原始粉末、復(fù)合材料塊。 實(shí)驗(yàn)步驟：樣品制備（粒度要求；平整與擇優(yōu)取向；厚度要求）裝樣防輻射處理。3.2.4 SEM觀察實(shí)驗(yàn)儀器：Helios Nanolab600i掃描電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)材料：原始粉末、復(fù)合材料塊觀察對(duì)象：微觀形態(tài)、結(jié)構(gòu)方式、截面形貌、壓痕、裂紋擴(kuò)展路徑等。3.2.5 維氏硬度測定測定儀器：HBV-30A型布維氏

10、硬度計(jì)測定標(biāo)準(zhǔn)：GB/T165341996 工程陶瓷維氏硬度試驗(yàn)方法具體步驟：載荷取98N，保壓時(shí)間為10s，測試三個(gè)試樣，每個(gè)試樣測試5個(gè)壓痕，然后取平均值，保留三位有效數(shù)字。3.2.6 抗彎強(qiáng)度及彈性模量實(shí)驗(yàn)儀器：Instron-1186型電子萬能試驗(yàn)機(jī)實(shí)驗(yàn)方法：三點(diǎn)彎曲法實(shí)驗(yàn)材料：要求尺寸為3×4×36mm3(±1mm)，跨距為30mm，表面用金剛石研磨膏仔細(xì)拋光并倒角。實(shí)驗(yàn)要求：壓頭移動(dòng)速率為0.5mm/min，試驗(yàn)結(jié)果取56次實(shí)驗(yàn)的平均值。采用同樣的實(shí)驗(yàn)我們同時(shí)可以得到彈性模量的值。3.2.7 斷裂韌性測定實(shí)驗(yàn)儀器：Instron-1186型萬能電子試驗(yàn)

11、機(jī)實(shí)驗(yàn)方法：SENB(單邊切口梁)法實(shí)驗(yàn)材料：尺寸為2×4×20mm3，跨距16mm，切口深2mm。實(shí)驗(yàn)要求：壓頭移動(dòng)速率為0.05mm/min，試樣滿足L/h=4，a/h0.5，試驗(yàn)結(jié)果取56次實(shí)驗(yàn)的平均值。3.2.8 熱振循環(huán)實(shí)驗(yàn)將試樣置于冷熱循環(huán)箱中，在溫度1400-1600之間進(jìn)行熱震循環(huán)實(shí)驗(yàn)，升降溫速率10/min，1400和1600溫度點(diǎn)各保溫10分鐘（精度為±2），冷熱循環(huán)至試樣破壞斷裂失效。利用SEM分別觀察循環(huán)次數(shù)為20、40、 60和破壞前10次的時(shí)的宏觀熱振行為。并分別測試樣品的力學(xué)性能，當(dāng)殘留強(qiáng)度低于固有強(qiáng)度的70%時(shí)，認(rèn)定為失效。4、項(xiàng)目

12、實(shí)施的進(jìn)展情況及初步取得的成果 4.1原始粉末表面性能 4.1.1原始粉末粒度測試測試儀器：LA920激光散射粒度分布分析儀測試條件：激光和鎢光的透過率在80%90%范圍內(nèi)測試數(shù)據(jù)如下：（圖）Mo的粒徑分布 （圖）Mo的粒徑分布統(tǒng)計(jì)比表面積中值粒徑平均粒徑方差模式粒徑8066.8(cm2/cm3)10.4905(m)13.9047(m)148.70(m2)10.7915(m) 圖）W的粒徑分布 （圖）W的粒徑分布統(tǒng)計(jì)比表面積中值粒徑平均粒徑方差模式粒徑16128(cm2/cm3)5.0397(m)5.3895(m)7.6882(m2)6.2625(m) （圖）ZrO2的粒徑分布 （圖）ZrO2

13、的粒徑分布比表面積中值粒徑平均粒徑方差模式粒徑35191(cm2/cm3)2.3814(m)2.7315(m)2.9776(m2)3.6047(m) 4.1.2XRD物相分析實(shí)驗(yàn)儀器：日本理學(xué)D/max-B型X射線衍射儀實(shí)驗(yàn)條件：加速電壓和電流分別為40kV和50 mA，掃描角速率為4°/min，測角儀步長0.02°，掃描范圍10-90°實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下： 圖2-1）W的測試譜線 （圖2-2）Mo的測試譜線 （圖2-3）ZrO2的測試譜線 （圖2-4）Y2O3的測試譜線 4.1.3掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)觀察實(shí)驗(yàn)儀器：Helios Nanolab600i掃

14、描電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)材料：原始粉末、復(fù)合材料塊 （圖3-1）氧化鋯粉末 （圖3-2）鎢粉末 （圖3-3）鉬粉末4.2復(fù)合材料的制備稱取一定體積分?jǐn)?shù)比的W、Mo和3Y-ZrO2粉，球料比為6：1放入球磨罐中，密封球墨24h（n=50r/min），放入鼓風(fēng)干燥箱中80干燥12h。研磨后，將混合粉末置于Ø50mm的石墨模具中，放入真空熱壓燒結(jié)爐中進(jìn)行熱壓燒結(jié)（1500，30MPa，1h），設(shè)計(jì)試樣尺寸為Ø50×5mm3。W-ZrO2和Mo-ZrO2復(fù)合材料的制備流程如圖所示：（圖1） W-ZrO2和Mo-ZrO2復(fù)合材料的制備流程圖4.3W-ZrO2,Mo-ZrO2材料的性

15、能測試4.3.1相對(duì)密度的測量體積密度測量方法：Archimedes排水法實(shí)驗(yàn)儀器：高精密度分析天平原始數(shù)據(jù)及其處理結(jié)果：m1m2(g/cm3)(g/cm3)致密度d體系W-ZrO26.27063g5.84236g14.6417715.31295.623%體系Mo-ZrO22.50739g2.18388g7.750588.90787.017%密度計(jì)算公式： （單位：）理論密度計(jì)算公式： (單位：g/cm3) 相對(duì)密度d的計(jì)算公式： 測試得到：W-ZrO2致密度為95.623%，屬于正常范圍內(nèi)Mo-ZrO2致密度為87.017%，有點(diǎn)偏低4.3.2 XRD物相分析對(duì)復(fù)合材料衍射得到譜線如圖 （圖

16、2-5）W-ZrO2的測試譜線 （圖2-6）Mo-ZrO2的測試譜線 經(jīng)初步分析可得，高溫?zé)Y(jié)并沒有破壞Mo，W和ZrO2的結(jié)構(gòu)，原始粉末化學(xué)成分無變化。4.3.3掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)觀察 （圖3-4）W-ZrO2 （圖3-5）Mo-ZrO24.3.4復(fù)合材料的力學(xué)性能測試 1.抗彎強(qiáng)度及彈性模量測試儀器：Instron-1186型電子萬能試驗(yàn)機(jī)測試方法：三點(diǎn)彎曲法測試條件：壓頭移動(dòng)速率為0.5mm/min，三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中Mo-ZrO2的跨距為20mm,W-ZrO2的跨距為30mm。體系Mo-ZrO2測試實(shí)際尺寸（mm）最大彎曲載荷(N)抗彎強(qiáng)度(MPa)彈性模量(GPa)14

17、.08×2.11226.41701373.942848524.08×2.11353.30682583.509863834.07×1.98252.56276474.860209544.07×1.98141.84023266.683343754.07×2.07308.80878531.221684303.464964.07×2.07183.55453315.7557454 舍去4、6兩組數(shù)據(jù)的平均值為： 490.880體系W-ZrO2測試實(shí)際尺寸（mm）最大彎曲載荷(N)抗彎強(qiáng)度(MPa)彈性模量(GPa)14.04×3.013

18、45.6055424.8922423.99×3.04272.74707332.8530634.02×3.00387.86844482.4234344.03×3.03269.81485328.16183325.205254.05×3.06348.63849413.7042264.02×3.03384.48279468.78976 平均值為：408.471 抗彎強(qiáng)度計(jì)算公式： (單位：MPa) 彈性模量計(jì)算公式： (單位：MPa) 測試得到W-ZrO2復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度為：408.471MPa 彈性模量為：325.205GPa Mo-ZrO2復(fù)合材

19、料的抗彎強(qiáng)度為：490.880MPa 彈性模量為：303.465GPa 2.斷口形貌 圖3-6）W-ZrO2 斷口形貌 （圖3-7）Mo-ZrO2 斷口形貌根據(jù)斷口形貌分析可知，W-ZrO2和Mo-ZrO2復(fù)合材料均為沿晶斷裂。 3.斷裂韌性測定測試儀器：Instron-1186型萬能電子試驗(yàn)機(jī)測試方法：SENB(單邊切口梁)法測試條件：壓頭移動(dòng)速率為0.05mm/min，Mo-ZrO2與W-ZrO2的跨距均為16mm原始數(shù)據(jù)及處理：Mo-ZrO2測試尺寸斷裂載荷(N)KIC(MPa*m1/2)W-ZrO2測試尺寸斷裂載荷(N)KIC(MPa*m1/2)14.08×2.0995.29

20、6657.09014166814.10×2.0467.670495.08318639824.08×2.09108.976528.10793417424.12×2.1562.786974.41062603934.06×2.06119.92758911×2.0253.121954.00067581444.06×2.06107.330688.22236896844.14×1.9625.822271.9614070354.08×2.07105.694447.93972319354.12×

21、2.0472.993325.40408438264.08×2.07102.818577.7236890126-平均值：7.724平均值：4.725計(jì)斷裂韌性算公式為：(單位：) 測試得到W-ZrO2復(fù)合材料的斷裂韌性為：7.724(MPa*m1/2) Mo-ZrO2復(fù)合材料的斷裂韌性為：4.725(MPa*m1/2) 4.維氏硬度的測定測定儀器：HBV-30A型布維氏硬度計(jì)測定標(biāo)準(zhǔn)：GB/T165341996 工程陶瓷維氏硬度試驗(yàn)方法 測試條件：載荷取98N，保壓時(shí)間為10s，測試三個(gè)試樣，每個(gè)試樣測試5個(gè)壓痕原始數(shù)據(jù)（取10個(gè)較為穩(wěn)定的數(shù)據(jù)）：體系W-ZrO2D1(m)D2(m)硬

22、度(GPa)體系Mo-ZrO2D1(m)D2(m)硬度(GPa)1174.63174.755.9551146.5156.637.9082178.38177.635.7352148.38158.137.7423183.881695.8373152.5152.637.814177.13171.635.9764144151.638.325180.751715.8875148.25154.757.9186179.88180.385.6016147.25155.637.9287182177.755.6167150.38162.387.4288183.5179.385.528147.38153.788.0

23、069181.38179.135.5939141151.58.49610182.13180.55.52710152.38152.257.83平均值：5.73平均值：7.94維氏硬度計(jì)算公式為： (單位：MPa)測試得到W-ZrO2復(fù)合材料的維氏硬度為：5.73GPa Mo-ZrO2復(fù)合材料的維氏硬度為：7.94GPa5、特色與創(chuàng)新在金屬W和Mo中引入ZrO2陶瓷相改善W和Mo材料的力學(xué)性能和抗熱震性能，以滿足苛刻環(huán)境下的使用要求。6、項(xiàng)目實(shí)施過程中的收獲與體會(huì)作為本科生有如此好的機(jī)會(huì)了解科技創(chuàng)新的過程，知曉科研的艱辛與不易，應(yīng)該感謝導(dǎo)師的教導(dǎo)與幫助和學(xué)校提供的資源。此次大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目僅過一半，但我們從中學(xué)到的理論知識(shí)，實(shí)驗(yàn)素質(zhì)，科研精神著實(shí)是人生一大財(cái)富。首先對(duì)于理論知識(shí)我們知道了部分關(guān)于特種金屬復(fù)合材料的知識(shí)，鎢基和鉬基的復(fù)合材料有著高熔點(diǎn)高熱穩(wěn)定性。研究材料性質(zhì)一般要從力學(xué)性能包括彈性模量，抗彎強(qiáng)度，斷裂韌性，硬度等及XRD物相分析和其他物理