《ZTA陶瓷顆粒/鐵基複合材料界面調控及磨損行為研究》是依託西安交通大學，由李燁飛擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：ZTA陶瓷顆粒/鐵基複合材料界面調控及磨損行為研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：李燁飛
- 依託單位：西安交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
氧化物陶瓷顆粒/鐵基複合材料套用前景廣闊，但是陶瓷顆粒與基體的界面難以實現良好冶金結合，致使陶瓷顆粒在磨料磨損過程中易剝落，成為長期以來制約此類複合材料工業化套用的瓶頸。申請者初步研究發現，Ni、Ti元素能夠引起ZTA陶瓷與鐵基體產生冶金化學反應，有望實現複合材料的界面冶金結合，但其作用機理及調控方法尚不明確。本項目擬採用理論計算與試驗相結合研究複合材料界面的形成演化和作用機制，調控界面反應產物與基體和陶瓷的熱匹配性，以解決ZTA陶瓷顆粒/鐵基複合材料界面“冶金結合”難題；重點研究晶格振動與界面反應產物拓撲結構熱膨脹的物理本質，澄清反應產物形成的熱力學與動力學條件；揭示複合材料界面物相協同性與耐磨性之間的耦合回響規律，建立磨料磨損條件下複合材料“陰影抗磨效應”的理論模型。項目實施對豐富和完善鑄造鐵基複合材料界面物相協同控制理論，同時對實現鐵基複合材料在磨料磨損工況下的實際套用具有重要意義。
結題摘要
磨損廣泛存在於電力、冶金、建築、礦山、機械等工業領域，會造成巨大的經濟損失及能源消耗。ZTA陶瓷顆粒增強鐵基複合材料充分發揮了陶瓷高耐磨性和鐵基高強韌性的優勢，成為替代傳統單一鐵基合金耐磨材料的首選，是國內外耐磨材料領域的前沿方向。但是，ZTA陶瓷與鐵基的界面僅能形成機械結合導致複合材料磨損過程中顆粒易剝落，本項目將活性元素Ni、Ti引入ZTA/鐵基複合材料的界面以提高複合材料的界面性能及磨損性能。取得以下重要研究結果： （1）製備出尺度1-3mm系列 ZTA陶瓷顆粒，通過調節ZTA中ZrO2含量（0%、20%、40%、80%、100%），實現調節復相陶瓷的熱膨脹係數與力學性能。隨ZrO2含量增加，ZTA的熱膨脹係數（7-10.2×10-6/℃）、斷裂韌性（5-12.5 MPa•m1/2）增加，硬度（顯微硬度：1263-1549MPa）降低。澄清了ZTA陶瓷中Al2O3與ZrO2比例和基體材料熱物理匹配的相關性。 （2）開發了ZTA陶瓷顆粒表面Ni-Ti活化燒結技術，通過對ZTA顆粒鍍覆處理，可得到均勻緻密的Ni-Ti鍍層，通過在鍍覆ZTA顆粒周圍加入Ni、Ti金屬粉燒結的預製體強度高達14.9MPa，顆粒間形成牢固的燒結頸，燒結顆粒形成殼-核結構，其中燒結殼層主要物相有Ni3Ti及AlNi2Ti、TiO。Ni-Ti鍍層及反應產物對於鐵基複合材料界面結合起到關鍵的橋樑與過渡作用：①與陶瓷潤濕；②將陶瓷顆粒與鐵基連線起來，並具有一定的強度；③過渡層與基體鋼鐵液相熔，無雜質殘留。 （3）利用鑄滲工藝製備出ZTA陶瓷/Cr15基複合材料，界面呈現出冶金結合。揭示了不同服役工況下ZTA陶瓷的適應機制，針對高應力磨損工況，ZrO2含量20%的ZTA陶瓷作為高鉻鑄鐵基體增強顆粒時耐磨性最優；針對強衝擊磨損工況，可採用ZrO2含量80%以上的ZTA陶瓷作為增強顆粒，基體優選高錳鋼基體以達到熱膨脹係數相匹配。複合材料磨料磨損機理為：隨著磨損的進行，陶瓷顆粒逐漸凸出於金屬基體，起到“陰影效應”而保護周圍基體材料，牢固連線界面的過渡層及ZTA陶瓷較高的韌性是複合材料具有高耐磨性的關鍵。
