基于理念的表面工程项目制实验教学研究

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片。

2.2 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；

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