功能梯度塗層材料（functionalgradient coating）是指在預先製成的基體上通過塗層方法進行製備的一類具有梯度結構的塗層材料，對於提高塗層與基體的結合強度，賦予材料表面新的功能具有獨到的優越性。理想的功能梯度塗層應該是從基體到塗層表面實現完全的組成與結構的梯度變化，但目前在塗層梯度材料的製備中還存在嚴重的不足。
基本介紹
- 中文名：功能梯度塗層材料
- 外文名：functionalgradient coating
- 特點：具有梯度結構的塗層材料
- 優點：提高塗層與基體的結合強度
- 製備方法：電漿噴塗、化學氣相沉積
- 工藝設計：基體材料性質
製備方法,功能梯度塗層結構設計,塗層製備工藝最佳化設計,
製備方法
目前採用得較多的電漿噴塗、化學氣相沉積、物理氣相沉積、物理-化學氣相沉積組合技術等製備方法，基本上都是在塗層中進行組成和結構的梯度分布，雖然可以一定程度緩解界面熱應力，但由於塗層材料的內滲限制和基體表面不可避免的鈍化現象存在，不可能徹底消除塗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力，不利於塗層材料與基體材料的結合。
20世紀90年代新開發出的PIII-IBED技術將電漿浸沒離子注入與離子束增強沉積相結合，利用注入、沉積、注鍍結合、界面動態反衝混合效應等，能夠較好地解決組分的梯度分布問題，是一種具有廣闊套用前景的功能梯度塗層材料製備技術。
功能梯度塗層結構設計
在實際使用中，因零件形狀、大小、材質、使用環境及服役條件等千差萬別，要獲得最佳的塗層使用性能，必須將熱噴塗技術所涉及的各個環節綜合在一起進行最佳化處理，特別是要注意將噴塗材料與各種熱噴塗工藝的特點結合起來，內容涉及所選擇的噴塗材料、塗層厚度、相應的噴塗設備和工藝參數等，塗層結構設計是否合理一般要通過生產檢驗或現場試驗才能確定。
在熱障塗層中，由於粘結層金屬和氧化鋯陶瓷的熱膨脹係數差異較大，這種差異將導致塗層內應力過大，並且在熱循環條件下常發生陶瓷塗層的早期破壞。為了減小內應力，提高塗層與基體的結合強度，材料科學家開始在常規熱障塗層中引入功能梯度材料製備技術。
日本學者新野正之、平井敏雄和渡邊龍三首先提出了FGM功能梯度結構(FGM)的概念。與此同時，中國學者袁潤章等也提出了FGM的概念，並率先在國內開展了這方面的研究。FGM的設計思想是針對兩種或兩種以上性質不同的材料，通過連續改變其組成、組織、結構與孔隙等要素，使其內部界面消失，得到性能呈連續平穩變化的新型非均質複合材料。藉助功能梯度材料的概念，使熱障塗層結構梯度化。相應地，熱膨脹係數將沿塗層厚度方向逐漸變化，從而緩和塗層製備過程中和熱循環使用過程中產生的熱應力。功能梯度材料的典型結構如下圖所示。
功能梯度材料的典型結構塗層製備工藝最佳化設計
在塗層製備過程中所涉及的環節包括以下內容：
(1)基體材料性質
基體材料性質包括其力學和熱學性能、抗氧化能力、零件大小及形狀和表面預處理
(2)噴塗材料性質
噴塗材料性質包括成分、相穩定性、粉末形態、熔點、粒度分布、流動性和密度等。
(3)製備工藝參數
製備工藝參數包括工藝方法(APS、IPS、VPS和RF等)、噴槍類型、噴嘴設計、電流、氣氛、送粉位置、送粉率、噴塗距離、噴槍移動速度、基體預熱與冷卻等。
(4)塗層性能檢測
上述提及的每一個環節都會對塗層質量產生重要影響。為了獲得既滿足性能要求，質量又穩定的塗層，必須對影響塗層性能的關鍵因素進行最佳化設計，了解其影響規律，找到影響塗層質量穩定性的主要因素，加以嚴格控制。
