西安交大《MD》：通過陶瓷表面金屬冶金化處理大幅降低鑄鐵與氧化物陶瓷體系高溫潤濕性
2024-08-22 15:02:36
作者：材料科學(xué)與工程 來源：材料科學(xué)與工程
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陶瓷顆粒增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高硬度、耐磨性和耐熱性好等優(yōu)點(diǎn)，在冶金、礦山、海工、空天等領(lǐng)域需求需求迫切。鐵基復(fù)合材料的影響因素繁多，如增強(qiáng)相、基體、界面等。隨著鐵基復(fù)合材料逐漸向縱深處發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，對(duì)性能的要求也越來越高。傳統(tǒng)鐵基復(fù)合材料中鋼鐵基體與氧化物陶瓷之間仍以機(jī)械結(jié)合為主，在使用過程中界面會(huì)優(yōu)先開裂，導(dǎo)致復(fù)合材料的使用壽命下降。在界面處引入活性元素進(jìn)而改善陶瓷與基體間的潤濕性，是提高復(fù)合材料界面性能的有效策略。近日，西安交大材料學(xué)院高義民教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合西安航天精密機(jī)電研究所（航天九院16所），針對(duì)鐵基復(fù)合材料（IMCs, Iron matrix composites）中陶瓷顆粒與鋼鐵基體潤濕性差導(dǎo)致界面結(jié)合強(qiáng)度降低的問題展開了研究。該工作鑒于現(xiàn)有研究中異質(zhì)界面引發(fā)的高溫潤濕過程中擴(kuò)散作用以及反應(yīng)產(chǎn)物誘導(dǎo)潤濕作用，構(gòu)建了多層界面體系。通過表面處理在商用ZrO2陶瓷板上鍍覆了一層Ti層，使用座滴法研究了ZrO2@Ti/HCCI體系的潤濕行為。結(jié)果表明Ti元素可將高鉻鑄鐵（High-Cr Cast Iron，HCCI）與ZrO2間的潤濕角從~110°大幅降低至~13°；金屬-陶瓷界面處多元冶金化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物TiO、ZrO2-x、ZrO等物相的形成與遷移、以及Fe和Cr元素向陶瓷內(nèi)部的擴(kuò)散是潤濕行為改良的重要因素。通過經(jīng)典反應(yīng)產(chǎn)物控制模型擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合度高、模型可靠。
圖1. 不同溫度下HCCI在鍍鈦ZrO2陶瓷板上潤濕角隨時(shí)間變化相關(guān)成果以《揭示大幅降低鑄鐵與二氧化鋯陶瓷體系潤濕角的作用機(jī)理》（“Revealing the mechanism of abruptly dropping of the wetting angle for the cast iron and zirconia ceramic system”）為題發(fā)表在《材料與設(shè)計(jì)》（Materials & Design）上。西安交大為該論文通訊作者單位，材料學(xué)院李燁飛副教授為通訊作者，材料學(xué)院博士生趙子龍為論文第一作者。合作作者包括西安交大鄭巧玲、易大偉，航天九院16所程昊、張溯。https://doi.org/10.1016/j.matdes.2024.113232
該研究得到了陜西省秦創(chuàng)源“科學(xué)家+工程師”項(xiàng)目、西安市科技計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。感謝西安交大張朋誠工程師在電鏡定性和定量結(jié)構(gòu)表征和分析的大力支持。
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