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
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1所示。
圖1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。
