课题基金 / 基金详情

金属陶瓷表面热-力耦合损伤机理的多尺度研究

批准号:
52101108
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
娄明
学科分类:
金属材料使役行为与表面工程
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
娄明

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
金属陶瓷在苛刻环境下服役时,由温升、磨损等引起的热-力耦合损伤是其失效的重要原因,需要从原子、分子层次和热、动力学基础理论角度阐释其多因素耦合表面损伤机制。本项目拟采用粉末冶金方法制备WC-Co、TiC-Fe以及添加元素(Fe、Al、Y)改性的金属陶瓷材料,并对其在高温、高应力苛刻条件下的宏观磨损行为以及微观和原子尺度磨损机理进行系统性研究:基于关键实验构建宏观磨损图,确定硬质相和粘结相的失效条件;利用实验结合相图热力学计算,探索磨损过程中金属陶瓷及表面氧化膜、摩擦膜的微观相变规律;基于第一性原理计算,研究材料表面晶体结构与力学性能变化以及原子吸附与扩散行为。本项目的完成,将从苛刻工况下热-力耦合损伤的角度出发,为金属陶瓷的进一步改性提供实验依据,同时为新一代环境适应型金属陶瓷材料的工程化应用提供理论基础。
英文摘要
The catastrophic failures of ceramic-metal composites under severe working conditions normally stem from the thermo-mechanical coupled wear damages; thus, understanding the underlying wear mechanisms at molecular and atomistic levels as well as from the perspectives of thermodynamics and kinetics is of significance. This project aims at designing novel WC-Co and TiC-Fe composites with Fe, Al, Y elements additions, and investigating their wear behavior under extreme conditions at different scales. The loading conditions at which the ceramic and binder phases fail will be determined by constructing macroscopic wear maps; the phase transitions that may occur in composites’ structure, surface oxide layers and tribolayers will be studied using microscopic and spectroscopic analyses combining with the CALPHAD (CALculation of PHAse Diagram) method; in addition to the changes of crystal structures and mechanical properties, the behaviors of atomic adsorption and adatom diffusion will be explored using first principles calculation. The proposed research is expected to provide bases, from the perspective of thermo-mechanical coupled damage under extreme conditions, for both the further modification and the future industrial application of novel environmentally adaptable ceramic-metal composites.
面向深地钻探高温、磨损、腐蚀苛刻服役环境,传统三元WC-Co金属陶瓷(通常称硬质合金)已无法满足钻具关键运动部件(如径向轴承等)长寿命、高可靠服役需求。本项目以典型WC-Co系、TiC-Fe系、Ti(C,N)-Ni系金属陶瓷为研究对象,系统探索了合金元素(Fe、Al等)、稀土金属元素(La、Nd等)和难熔金属元素(W、Zr等)添加对陶瓷相与金属相生长形貌和物相结构的作用规律,建立了(Ti,W)(C,N)、(Ti,Zr)(C,N)、(Ti,La)C等多元陶瓷相成分与调幅分解行为、溶解-析出行为间的定量关系;明确了Al添加稳定γ(Ni)+γ’(Ni3Al)双相粘结相、α-Co(CoAl)单相粘结相、B2(CoFeAl)单相粘结相的热力学机理。进一步,结合宏观尺度的摩擦学表征、微观尺度的相图热力学计算和原子尺度的第一性原理计算与先进电子显微分析手段,重点研究了热-力耦合条件及电化学腐蚀条件下金属陶瓷表面氧化膜、摩擦膜和钝化膜的形成及演化过程,阐明了高温含氧环境中γ(Ni)+γ’(Ni3Al)双相粘结相、α-Co(CoAl)单相粘结相、B2(CoFeAl)单相粘结相表面/次表面Al元素的选择性氧化和分层机制;厘清了高温磨损环境中堆垛层错及位错增殖对α-Co(CoAl)单相粘结相中ε→α相变及B2(CoFeAl)单相粘结相中梯度纳米结构形成的作用机理;揭示了不同稀土元素(Nd、Yb)添加与金属陶瓷钝化膜物相组成及稳定性间的关联关系。最后,基于自主构筑的多元金属陶瓷热力学数据库,结合表面膜结构与服役性能关系,设计了系列Al添加耐磨、耐蚀粘结相以及W、Nd添加耐磨、耐蚀陶瓷相,建立了基于高温原位反应的多元合金、多元陶瓷粉末预固溶处理关键技术,从而发展出了包含新型粘结相、陶瓷相的耐磨、耐蚀金属陶瓷材料,在中国石油集团新一代深地钻具径向轴承完成示范应用并通过环境考核验证。
强韧与耐磨蚀一体化钻探复合材料结构调控机制
(Ti,Zr)(C,N)-Ni3Al金属陶瓷热—力—电化学耦合损伤机理与结构性能调控研究
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