西安交大《MD》：通过陶瓷表面金属冶金化处理大幅降低铸铁与氧化物陶瓷体系高温润湿性

陶瓷颗粒增强铁基复合材料具有高强度、高硬度、耐磨性和耐热性好等优点，在冶金、矿山、海工、空天等领域需求需求迫切。铁基复合材料的影响因素繁多，如增强相、基体、界面等。随着铁基复合材料逐渐向纵深处发展，其应用领域不断扩大，对性能的要求也越来越高。传统铁基复合材料中钢铁基体与氧化物陶瓷之间仍以机械结合为主，在使用过程中界面会优先开裂，导致复合材料的使用寿命下降。在界面处引入活性元素进而改善陶瓷与基体间的润湿性，是提高复合材料界面性能的有效策略。

近日，西安交大材料学院高义民教授团队联合西安航天精密机电研究所（航天九院16所），针对铁基复合材料（IMCs, Iron matrix composites）中陶瓷颗粒与钢铁基体润湿性差导致界面结合强度降低的问题展开了研究。该工作鉴于现有研究中异质界面引发的高温润湿过程中扩散作用以及反应产物诱导润湿作用，构建了多层界面体系。通过表面处理在商用ZrO2陶瓷板上镀覆了一层Ti层，使用座滴法研究了ZrO2@Ti/HCCI体系的润湿行为。结果表明Ti元素可将高铬铸铁（High-Cr Cast Iron，HCCI）与ZrO2间的润湿角从~110°大幅降低至~13°；金属-陶瓷界面处多元冶金化学反应产物TiO、ZrO2-x、ZrO等物相的形成与迁移、以及Fe和Cr元素向陶瓷内部的扩散是润湿行为改良的重要因素。通过经典反应产物控制模型拟合实验数据，拟合度高、模型可靠。

图1. 不同温度下HCCI在镀钛ZrO2陶瓷板上润湿角随时间变化

相关成果以《揭示大幅降低铸铁与二氧化锆陶瓷体系润湿角的作用机理》（“Revealing the mechanism of abruptly dropping of the wetting angle for the cast iron and zirconia ceramic system”）为题发表在《材料与设计》（Materials & Design）上。西安交大为该论文通讯作者单位，材料学院李烨飞副教授为通讯作者，材料学院博士生赵子龙为论文第一作者。合作作者包括西安交大郑巧玲、易大伟，航天九院16所程昊、张溯。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2024.113232

该研究得到了陕西省秦创源“科学家+工程师”项目、西安市科技计划等项目的支持。感谢西安交大张朋诚工程师在电镜定性和定量结构表征和分析的大力支持。

本文来自微信公众号“材料科学与工程”。感谢论文作者团队大力支持。