耐高温熔蚀-磨损网络结构陶瓷/金属新材料及其机理研究

In order to meet the requirements encountered in the applications of tribocorrosion resistance materials in the mechanical, mining,metallurgical and automotive industries,ceramic perform for fabricating three-dimensional network ceramic/Fe-alloy composites would be infiltrated by liquid metal.The microstructure, interface between the ceramic and Fe metal matrix,thermal expansion,thermal cycle impact properties and tribocorrosion resistance would be characterised by scanning electron microscopy(SEM),transmission electron microscopy (TEM),universal tensile testing machine,thermal expansion testing instrument,friction wear testing machine and self-maded tribocorrosion testing machine et.al,and the relation between tribocorrosion resistance and other properties would be investigated to account for crucial scientific problems in designing,preparing and application of the tribocorrosion resistance material under special conditions, such as melting,forming(casting)and hot dip aluminum plating.The tribocorrosion physical model established and physical and chemical transformation in the tribocorrsion process simulated would given theoretic direction to fabricating the novel three-dimensional network ceramic/Fe-alloy composites using in tribocorrosion environment.

本项目针对机械、采矿、冶金和汽车工业中耐高温熔蚀-磨损材料的应用需求，采用液态金属浸渗预成型陶瓷体工艺制备三维网络陶瓷/铁基复合材料。利用扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、万能拉伸试验机、热膨胀测试仪、摩擦磨损试验机以及自行研制的高温熔蚀-磨损实验设备等测试仪器，对三维网络陶瓷/铁基复合材料的组织结构、陶瓷-金属界面特征与高温性能、热膨胀性能、耐冷热冲击性能和耐高温液态合金腐蚀之间的关系进行研究，解决特殊工况条件如熔炼、成形（铸造）及热浸镀铝等生产过程中耐高温熔蚀-磨损材料在设计、制备以及使用过程中存在的界面反应与控制、高温熔蚀-磨损失效机理等关键科学问题，建立高温熔蚀-磨损条件下的物理模型，模拟分析高温熔蚀-磨损失效过程中的物理和化学变化，为研发耐高温熔蚀-磨损三维网络陶瓷/铁基复合新材料提供理论指导。

本项目针对耐高温熔蚀—磨损材料的应用需求，采用液态金属浸渗预成型陶瓷体工艺制备三维网络陶瓷/金属基耐金属熔液熔蚀磨损的复合材料。通过计算机应力模拟开发空间拓扑结构的网络陶瓷；设计耐金属熔液熔蚀合金材料；对陶瓷表面进行金属化处理解决复合材料合金基体与陶瓷之间的润湿性差及界面结合问题；采用先进成型技术制备系列复合材料并研究熔蚀-磨损模拟工况下的交互作用失效的基本规律。研究结果表明：对于网络陶瓷网孔的不同结构基元型式的受力情况及载荷分布的计算机有限元计算模拟表明，网孔内表面为近似球形结构有利于应力的分解及扩大受力面，提出了一种基于丝网印刷机理的粘结剂涂布工艺，该工艺解决了粘结剂残留堵孔的问题，保障了骨架的连通性；采用溅射镀工艺在ZTA表面进行预金属化处理，研究了陶瓷表面金属镀层对陶瓷金属间润湿性改善机理，采用在陶瓷中添加部分的金属Ni颗粒+ 镍盐液相浸渍-化学处理新工艺+铁合金无压浸渗和砂型铸造新工艺，解决了氧化铝陶瓷与铁合金润湿性差的问题，成功的制备出界面结合强度高的三维网络陶瓷/铁合金复合材料；采用自制高温金属熔蚀-磨损试验装置研究了QT350、HT300、高铬铸铁、Q235、H13等材质在750℃铝液中的熔蚀-磨损行为，提出并设计了铝液熔蚀-磨损工况下材料设计原则：以铸铁为基体，加入足够数量的碳化物形成元素如Cr、W，以在基体中获得具有较好耐铝液熔蚀性能并在熔蚀-磨损过程中起支撑作用的高硬度碳化物，此外，加入少量其它合金元素如Mo、V等改善材料的组织与性能；采用砂型铸造制备三维网络结构ZrO2/Fe-Cr-B铸钢复合材料，其耐铝液腐蚀-磨损性能比H13提高了近10倍，在铝液腐蚀-磨损过程中，ZrO2陶瓷承受主要的载荷，金属基体则主要经受动态铝液的腐蚀。本项目从一个全新的角度探索耐熔蚀-磨损的新途径，对进一步实现耐熔蚀-磨损材料的实际应用具有重要的学术及工程应用价值。