Al-Ni2O3自发热粉末辅助ZTA/Fe耐磨复合材料的铸渗性能研究

针对传统Fe基耐磨材料因液态金属过早冷却导致铸渗深度不足的问题，研究人员通过Al-Ni2O3自发热粉末辅助铸造技术，成功制备出具有"硬-软-硬"韧性夹层结构的ZTA/Fe复合材料，铸渗深度提升36.7%，并建立热力学经验公式，为高性能耐磨材料设计提供新思路。

　　

在工业装备领域，磨损问题每年造成巨额经济损失，传统高铬铸铁(HCCI)材料面临耐磨性与韧性难以兼顾的困境。陶瓷颗粒增强铁基复合材料虽能结合金属的韧性和陶瓷的耐磨性，但铸造过程中液态金属与陶瓷(ZTA)的润湿性差、冷却速度快等问题，严重制约了材料性能提升。更棘手的是，提高铸造温度或增加基体热容量会改变非增强区的性能，这对薄壁零件尤为不利。

西安交通大学材料科学与工程学院的研究人员创新性地采用Al-Ni₂O₃自发热粉末辅助铸造技术，通过精确调控热力学参数，成功突破了这一技术瓶颈。研究发现，自发热粉末在反应中产生的AlNix纳米晶与非晶Al₂O₃形成独特的界面缓冲层，使复合材料铸渗深度达到41mm，较传统方法提升36.7%。相关成果发表在《Materials Letters: X》上，为耐磨材料设计提供了全新解决方案。

研究采用砂型单向铸造技术，通过差示扫描量热法(DSC)监测自发热粉末反应特性，结合扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)解析界面微观结构，并利用纳米压痕技术定量表征"硬(ZTA)-软(非晶层)-硬(HCCI)"三明治结构的力学性能梯度。

研究结果显示，自发热粉末的放热量(ΔH_Powder)对铸渗深度(h_Depth)的影响系数达0.02795，远高于基体热容量(ΔH_Matrix)的0.0018。界面分析表明，反应生成的20nm厚过渡层促使Cr元素向ZTA扩散，而金属前沿形成的M₇C₃碳化物使硬度提升。特别值得注意的是，非晶界面层的塑性因子达0.68，是基体(0.33)和陶瓷(0.27)的2倍以上，有效缓解了界面应力集中。

这项研究的意义在于：首次建立铸渗深度与热参数的定量关系公式h_Depth=0.02795ΔH_Powder+0.0018ΔH_Matrix-18.45，为复合材料设计提供理论指导；开发的非晶缓冲层技术使界面载荷传递效率提升40%；在1450℃低温条件下实现41mm深度的单向铸渗，较1600℃高温工艺节能显著。该技术特别适用于矿山机械、工程车辆等领域的薄壁耐磨部件制造，具有重要的工程应用价值。