[科普中國(guó)]-功能梯度涂層材料

功能梯度涂層材料（functionalgradient coating）是指在預(yù)先制成的基體上通過(guò)涂層方法進(jìn)行制備的一類具有梯度結(jié)構(gòu)的涂層材料，對(duì)于提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，賦予材料表面新的功能具有獨(dú)到的優(yōu)越性。理想的功能梯度涂層應(yīng)該是從基體到涂層表面實(shí)現(xiàn)完全的組成與結(jié)構(gòu)的梯度變化，但目前在涂層梯度材料的制備中還存在嚴(yán)重的不足。1

制備方法目前采用得較多的等離子體噴涂、化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、物理-化學(xué)氣相沉積組合技術(shù)等制備方法，基本上都是在涂層中進(jìn)行組成和結(jié)構(gòu)的梯度分布，雖然可以一定程度緩解界面熱應(yīng)力，但由于涂層材料的內(nèi)滲限制和基體表面不可避免的鈍化現(xiàn)象存在，不可能徹底消除涂層材料與基體材料的界面，仍然存在較大的界面能和界面熱應(yīng)力，不利于涂層材料與基體材料的結(jié)合。

20世紀(jì)90年代新開(kāi)發(fā)出的PIII-IBED技術(shù)將等離子體浸沒(méi)離子注入與離子束增強(qiáng)沉積相結(jié)合，利用注入、沉積、注鍍結(jié)合、界面動(dòng)態(tài)反沖混合效應(yīng)等，能夠較好地解決組分的梯度分布問(wèn)題，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的功能梯度涂層材料制備技術(shù)。

功能梯度涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在實(shí)際使用中，因零件形狀、大小、材質(zhì)、使用環(huán)境及服役條件等千差萬(wàn)別，要獲得最佳的涂層使用性能，必須將熱噴涂技術(shù)所涉及的各個(gè)環(huán)節(jié)綜合在一起進(jìn)行優(yōu)化處理，特別是要注意將噴涂材料與各種熱噴涂工藝的特點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，內(nèi)容涉及所選擇的噴涂材料、涂層厚度、相應(yīng)的噴涂設(shè)備和工藝參數(shù)等，涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理一般要通過(guò)生產(chǎn)檢驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)才能確定。

在熱障涂層中，由于粘結(jié)層金屬和氧化鋯陶瓷的熱膨脹系數(shù)差異較大，這種差異將導(dǎo)致涂層內(nèi)應(yīng)力過(guò)大，并且在熱循環(huán)條件下常發(fā)生陶瓷涂層的早期破壞。為了減小內(nèi)應(yīng)力，提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，材料科學(xué)家開(kāi)始在常規(guī)熱障涂層中引入功能梯度材料制備技術(shù)。

日本學(xué)者新野正之、平井敏雄和渡邊龍三首先提出了FGM功能梯度結(jié)構(gòu)(FGM)的概念。與此同時(shí)，中國(guó)學(xué)者袁潤(rùn)章等也提出了FGM的概念，并率先在國(guó)內(nèi)開(kāi)展了這方面的研究。FGM的設(shè)計(jì)思想是針對(duì)兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料，通過(guò)連續(xù)改變其組成、組織、結(jié)構(gòu)與孔隙等要素，使其內(nèi)部界面消失，得到性能呈連續(xù)平穩(wěn)變化的新型非均質(zhì)復(fù)合材料。借助功能梯度材料的概念，使熱障涂層結(jié)構(gòu)梯度化。相應(yīng)地，熱膨脹系數(shù)將沿涂層厚度方向逐漸變化，從而緩和涂層制備過(guò)程中和熱循環(huán)使用過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力。功能梯度材料的典型結(jié)構(gòu)如下圖所示。2

涂層制備工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)在涂層制備過(guò)程中所涉及的環(huán)節(jié)包括以下內(nèi)容：

(1)基體材料性質(zhì)

基體材料性質(zhì)包括其力學(xué)和熱學(xué)性能、抗氧化能力、零件大小及形狀和表面預(yù)處理

(2)噴涂材料性質(zhì)

噴涂材料性質(zhì)包括成分、相穩(wěn)定性、粉末形態(tài)、熔點(diǎn)、粒度分布、流動(dòng)性和密度等。

(3)制備工藝參數(shù)

制備工藝參數(shù)包括工藝方法(APS、IPS、VPS和RF等)、噴槍類型、噴嘴設(shè)計(jì)、電流、氣氛、送粉位置、送粉率、噴涂距離、噴槍移動(dòng)速度、基體預(yù)熱與冷卻等。

(4)涂層性能檢測(cè)

涂層性能檢測(cè)包括涂層成分與結(jié)構(gòu)、結(jié)合強(qiáng)度、熱力學(xué)性能、厚度、殘余應(yīng)力及涂層孔隙率等。

上述提及的每一個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)對(duì)涂層質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。為了獲得既滿足性能要求，質(zhì)量又穩(wěn)定的涂層，必須對(duì)影響涂層性能的關(guān)鍵因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，了解其影響規(guī)律，找到影響涂層質(zhì)量穩(wěn)定性的主要因素，加以嚴(yán)格控制。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李雪梅 - 副教授 - 西南大學(xué)