ZTA陶瓷颗粒/铁基复合材料界面调控及磨损行为研究

ZTA ceramic particle reinforced iron matrix composite has a broad application prospect; however, there is not exist metallurgical chemical reaction between ZTA particle and iron matrix, which deteriorates the wear resistance of composite, and become a main restriction for the application of the composite. The applicant’s preliminary studies showed that Ni, Ti elements can lead to the metallurgical chemical reaction between ZTA ceramic and Fe matrix. It is expected to achieve the metallurgical bonding in the composite interface, but the forming method and mechanism is not clear. Therefore, the DFT calculation and experiment combination method will be adopted in this project to study the forming mechanism. The thermal marching property of reaction products will be controlled. Then, the “metallurgical bonding” problem between ZTA particles and iron matrix will be solved; the physical essence of lattice vibration and thermal expansion of interfacial reaction products will be studied, and the thermodynamic/dynamic formation conditions of reaction products will be clarified. The synergy relationship between interfacial phases and wear resistance will be illustrated, in order to establish the “shadow anti-wear effect” theoretical model of iron matrix composite under abrasive wear condition. This project has important academic value to enrich the interfacial phases collaborative control theory, and achieve practical application of iron matrix composite in the abrasive wear conditions.

氧化物陶瓷颗粒/铁基复合材料应用前景广阔，但是陶瓷颗粒与基体的界面难以实现良好冶金结合，致使陶瓷颗粒在磨料磨损过程中易剥落，成为长期以来制约此类复合材料工业化应用的瓶颈。申请者初步研究发现，Ni、Ti元素能够引起ZTA陶瓷与铁基体产生冶金化学反应，有望实现复合材料的界面冶金结合，但其作用机理及调控方法尚不明确。本项目拟采用理论计算与试验相结合研究复合材料界面的形成演化和作用机制，调控界面反应产物与基体和陶瓷的热匹配性，以解决ZTA陶瓷颗粒/铁基复合材料界面“冶金结合”难题；重点研究晶格振动与界面反应产物拓扑结构热膨胀的物理本质，澄清反应产物形成的热力学与动力学条件；揭示复合材料界面物相协同性与耐磨性之间的耦合响应规律，建立磨料磨损条件下复合材料“阴影抗磨效应”的理论模型。项目实施对丰富和完善铸造铁基复合材料界面物相协同控制理论，同时对实现铁基复合材料在磨料磨损工况下的实际应用具有重要意义。

磨损广泛存在于电力、冶金、建筑、矿山、机械等工业领域，会造成巨大的经济损失及能源消耗。ZTA陶瓷颗粒增强铁基复合材料充分发挥了陶瓷高耐磨性和铁基高强韧性的优势，成为替代传统单一铁基合金耐磨材料的首选，是国内外耐磨材料领域的前沿方向。但是，ZTA陶瓷与铁基的界面仅能形成机械结合导致复合材料磨损过程中颗粒易剥落，本项目将活性元素Ni、Ti引入ZTA/铁基复合材料的界面以提高复合材料的界面性能及磨损性能。取得以下重要研究结果：.（1）制备出尺度1-3mm系列 ZTA陶瓷颗粒，通过调节ZTA中ZrO2含量（0%、20%、40%、80%、100%），实现调节复相陶瓷的热膨胀系数与力学性能。随ZrO2含量增加，ZTA的热膨胀系数（7-10.2×10-6/℃）、断裂韧性（5-12.5 MPa•m1/2）增加，硬度（显微硬度：1263-1549MPa）降低。澄清了ZTA陶瓷中Al2O3与ZrO2比例和基体材料热物理匹配的相关性。.（2）开发了ZTA陶瓷颗粒表面Ni-Ti活化烧结技术，通过对ZTA颗粒镀覆处理，可得到均匀致密的Ni-Ti镀层，通过在镀覆ZTA颗粒周围加入Ni、Ti金属粉烧结的预制体强度高达14.9MPa，颗粒间形成牢固的烧结颈，烧结颗粒形成壳-核结构，其中烧结壳层主要物相有Ni3Ti及AlNi2Ti、TiO。Ni-Ti镀层及反应产物对于铁基复合材料界面结合起到关键的桥梁与过渡作用：①与陶瓷润湿；②将陶瓷颗粒与铁基连接起来，并具有一定的强度；③过渡层与基体钢铁液相熔，无杂质残留。.（3）利用铸渗工艺制备出ZTA陶瓷/Cr15基复合材料，界面呈现出冶金结合。揭示了不同服役工况下ZTA陶瓷的适应机制，针对高应力磨损工况，ZrO2含量20%的ZTA陶瓷作为高铬铸铁基体增强颗粒时耐磨性最优；针对强冲击磨损工况，可采用ZrO2含量80%以上的ZTA陶瓷作为增强颗粒，基体优选高锰钢基体以达到热膨胀系数相匹配。复合材料磨料磨损机理为：随着磨损的进行，陶瓷颗粒逐渐凸出于金属基体，起到“阴影效应”而保护周围基体材料，牢固连接界面的过渡层及ZTA陶瓷较高的韧性是复合材料具有高耐磨性的关键。