基于CDIO理念的表面工程项目制实验教学研究(2)

（3）PVD 涂层时，先抽真空到 3.0×10－3Pa，然后通入 Ar气，并用等离子体对基体进行预溅射15min，先在－200V偏压下制备Ti过渡层；再通入Ar和N2气，总气压为0.5Pa，在不超过－100V偏压下沉积TiAlN涂层，沉积时间1.5h，随炉冷却；

（4）涂层表征，包括涂层的SEM、划痕结合强度等检测。

图1是在不同成分的Ti（C，N）基金属陶瓷基体上制备的TNMG数控刀片，TiAlN外观呈蓝灰色（左侧），TiN－TiCN－Al2O3－TiN 外观呈金黄色（右侧），可见涂层均覆盖完整、表面光滑，无裂纹和液滴等缺陷。图2是 Ti（C，N）基金属陶瓷表面TiAlN涂层的截面SEM形貌，可见涂层的生长方向垂直于刀片表面，但未见明显的柱状结构，其厚度为3.23μm，与基体之间的界面完整，结合良好。

图1 涂层数控刀片照片

图2 TiAlN涂层Ti（C，N）基金属陶瓷截面形貌

2.4 运行

学生将制备出TNMG涂层数控刀片在数控车床上对Inconel 718镍基合金进行切削实验，通过真实的服役实验对产品性能进行评价。切削实验时，应检测后刀面磨损、切削力、刀具耐用度、工件表面粗糙度等，分析涂层数控刀片切削过程中的磨损形貌、元素扩散、氧化等现象，总结出磨损机理并为数控刀片制备工艺优化提供参考。

3 项目评价

教师从以下几方面对学生团队进行评价：

（1）学生的实验方案设计，主要是设计方案的完整性和可行性；

（2）学生遵守实验安全、环保、健康方面要求的情况；

（3）项目完成质量，包括涂层质量以及涂层刀片的切削效果；

（4）沟通能力，包括技术报告的撰写、在汇报环节的陈述表达能力，回应质疑等学术沟通能力。

（5）团队合作能力，主要是团队成员在项目工作中起到的作用。

4 结语

本文针对表面工程实验教学中存在的问题，将CDIO理念引入实验教学中，面向航空航天、汽车工程、机械制造、生物医学、建筑工程等领域，构建了表面工程技术领域的项目库，学生以团队形式按构思、设计、实施、运行的工程链流程完成项目工作，教师对学习效果进行评价。基于CDIO模式的实验教学，使实验教学从以教师为中心过渡到以学生为中心，有利于培养学生工程实践能力和创新能力。

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表面工程是经过预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状况，以获得表面所需性能的系统工程［1］。表面技术包括电镀、涂装、堆焊、热喷涂、热扩渗、化学转化膜、彩色金属、气相沉积、三束改性等［2］在航空、航天、机械、汽车、建筑等领域中得到迅速发展，被认为是21世纪工业发展的关键技术［3］。目前的材料类和制造类专业中，表面工程技术得到了广泛重视。但是，目前实验教学中普遍存在着以教师为中心，过分强调知识的掌握而忽视实践能力和创新能力培养的问题［4］。改变陈旧的工程人才培养观念，在实验教学中以学生为中心，树立以产品为导向的工程价值观，引入新的工程教育理念和模式，进行实验教学改革已经是大势所趋［5］。CDIO（Conceive－Design－Implement－Operate）是由美国麻省理工学院、瑞典哥德堡查尔姆斯技术学院、瑞典皇家技术学院和瑞典林雪平大学等四所工程技术大学发起的一项工程教育改革计划［6］。它以工程项目从研发到运行的生命周期为载体，其愿景是使学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程［7］。目前，CDIO工程模式已经得到了国际学术界和工业界的认可［8］，并取得了良好的效果。本文提出将CDIO理念运用于表面工程的实验教学中，针对工程实际构建出本技术领域的项目库，学生经过构思、设计、实施、运行等流程来完成项目，教师对项目完成情况及能力达成情况进行评价。1 项目准备基于CDIO理念的实验教学，首先要建立一个项目库。项目应紧扣表面工程技术的知识范畴，并给予学生综合运用其他专业知识的空间；应具有探究性，以培养学生的学习热情；应考虑到表面工程技术的应用领域，构建一个接近解决工程实际问题的环境，培养学生的工程思维。针对航空航天、汽车工程、机械制造等领域提出了九个CDIO实验项目，如表1所示。教师给出项目题目和项目要求，要求学生根据项目目标进行资料查阅、材料准备、方案设计、实施完成，并达到项目要求具备的工程应用效果。表1中的九个项目在实验教学中都通过构思、设计、实施和运行等四个教学活动环节来完成。本文以项目4“Inconel 718镍基高温合金加工用涂层数控刀片的制备及切削性能研究”为例，介绍基于CDIO理念的实验教学过程。表1 基于CDIO模式的表面工程实验项目?2 项目开展2.1 构思Inconel 718材料具有高强度和硬度，在600～1000℃的高温氧化气氛中能正常服役，可用于制造航空发动机关键部件［9］。镍基高温合金自身导热系数低，再加工硬化现象严重，切削过程中与刀具材料的化学亲和性较强，刀具耐用度较低，是典型的难加工材料［10］。镍基合金切削刀具的基体和涂层对于切削性能非常重要。基体材料方面，Ti（C，N）基金属陶瓷与传统WC－Co硬质合金相比，具有高硬度、红硬性、耐磨性和强度等优异综合性能。涂层材料方面，目前切削刀具上应用的涂层材料（及组合）有几十种，其中TiAlN具有硬度高、氧化温度高、红硬性好、附着力强、摩擦系数小、导热率低等优良特性［11］；Al2O3涂层在高温下具有良好的热稳定性、化学稳定性、高硬度与机械强度、抗氧化磨损和抗扩散磨损性能，适宜于高速切削［12］。基于此，本项目针对镍基高温合金的加工特性，构思出采用Ti（C，N）基金属陶瓷作基体，CVD制备 Al2O3，PVD制备TiAlN涂层，制造镍基合金加工用数控刀?设计基于上述构思，本项目的涂层数控刀片制备的实验设计主要包括四方面，如表2所示。采用不同成分的Ti（C，N）基金属陶瓷基体材料；涂层材料包括TiAlN以及以 α－Al2O3为核心层的TiN－TiCNAl2O3－TiN多层涂层；TiAlN采用磁控溅射（PVD）制备，Al2O3涂层采用MTCVD制备；涂层厚度方面，TiAlN涂层为 2～4μm，Al2O3涂层总厚度为 10～20μm。表2 涂层数控刀片材料制备实验方案设计?2.3 实施根据项目设计方案进行实验，制备涂层数控刀片的流程如下。（1）基体预处理，基体材料经过磨削、0.3MPa 喷砂、超声清洗 30min后烘干，用于 PVD和 CVD涂层；（2）CVD 涂层时，以 AlCl3、TiCl4、N2、H2、CH4、HCl和CO2为原料，以 CO、H2、H2S 为载气、在压力为 0.02－0.06MPa 下依次沉积 TiN、TiCN、Al2O3和TiN，沉积温度为 800～1050℃，沉积时间为 0.5～1h；（3）PVD 涂层时，先抽真空到 3.0×10－3Pa，然后通入 Ar气，并用等离子体对基体进行预溅射15min，先在－200V偏压下制备Ti过渡层；再通入Ar和N2气，总气压为0.5Pa，在不超过－100V偏压下沉积TiAlN涂层，沉积时间1.5h，随炉冷却；（4）涂层表征，包括涂层的SEM、划痕结合强度等检测。图1是在不同成分的Ti（C，N）基金属陶瓷基体上制备的TNMG数控刀片，TiAlN外观呈蓝灰色（左侧），TiN－TiCN－Al2O3－TiN 外观呈金黄色（右侧），可见涂层均覆盖完整、表面光滑，无裂纹和液滴等缺陷。图2是 Ti（C，N）基金属陶瓷表面TiAlN涂层的截面SEM形貌，可见涂层的生长方向垂直于刀片表面，但未见明显的柱状结构，其厚度为3.23μm，与基体之间的界面完整，结合良好。图1 涂层数控刀片照片图2 TiAlN涂层Ti（C，N）基金属陶瓷截面形貌2.4 运行学生将制备出TNMG涂层数控刀片在数控车床上对Inconel 718镍基合金进行切削实验，通过真实的服役实验对产品性能进行评价。切削实验时，应检测后刀面磨损、切削力、刀具耐用度、工件表面粗糙度等，分析涂层数控刀片切削过程中的磨损形貌、元素扩散、氧化等现象，总结出磨损机理并为数控刀片制备工艺优化提供参考。3 项目评价教师从以下几方面对学生团队进行评价：（1）学生的实验方案设计，主要是设计方案的完整性和可行性；（2）学生遵守实验安全、环保、健康方面要求的情况；（3）项目完成质量，包括涂层质量以及涂层刀片的切削效果；（4）沟通能力，包括技术报告的撰写、在汇报环节的陈述表达能力，回应质疑等学术沟通能力。（5）团队合作能力，主要是团队成员在项目工作中起到的作用。4 结语本文针对表面工程实验教学中存在的问题，将CDIO理念引入实验教学中，面向航空航天、汽车工程、机械制造、生物医学、建筑工程等领域，构建了表面工程技术领域的项目库，学生以团队形式按构思、设计、实施、运行的工程链流程完成项目工作，教师对学习效果进行评价。基于CDIO模式的实验教学，使实验教学从以教师为中心过渡到以学生为中心，有利于培养学生工程实践能力和创新能力。参考文献（References）：［1］ 李霞，杨效田.表面工程技术的应用于发展［J］.机械研究与应用，2015，28（5）：202－204.［2］ 徐滨士.新时代中国特色再制造的创新发展［J］.中国表面工程，2018，31（1）：1－6.［3］ 刘仁志.工业4.0时代需要提升表面工程技术［J］.表面工程与再制造，2016，6（4）：16－18.［4］ 何丽明，蒋群，闫晓梅，等.实验教学对提高本科生科研素质的探索［J］.实验室研究与探索，2016，35（8）：197－199.［5］ 刘军山，李建海，王杰.现代实验教学理念下的“三主式”实验教学模式探讨［J］.实验技术与管理，2017，34（3）：170－172，178.［6］ 李蕊，贺毅.基于CDIO的金属工艺学课程体验式教学改革［J］.实验室研究与探索，2017，36（6）：186－191.［7］ 周云，曾明，鞠儒生，等.以项目为载体的仿真工程专业课程实验体系设计［J］.实验技术与管理，2017，34（5）：194－197.［8］ 蔡丽萍，凌杰，林立，等.PMO－CDIO工程教育综合实践教学模式的探索与实践［J］.实验室科学，2017，20（3）：132－136.［9］ Grzesik W，Nies?ony P，Habrat W，et of tool wear in the turning of Inconel 718 superalloy in terms of process perform?ance and productivity enhancement［ J］.Tribology International，2018，118：337－346.［10］ 高东强，王俊杰，王悉颖.镍基高温合金切削过程有限元仿真及刀具参数研究［J］.工具技术，2017，51（10）：80－83.［11］ Zhang K，Deng J，Guo X，et al.Study on the adhesion and tribolog?ical behavior of PVD TiAlN coatings with a multi－scale textured substrate surface［J］.International Journal of Refractory Metals and Hard Materials，2018，72：292－305.［12］ Bobzin K.High－performance coatings for cutting tools［J］.CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology，2017，18：1－9.

文章来源：《中国表面工程》 网址: http://www.zgbmgc.cn/qikandaodu/2020/1209/398.html