摘 要：介绍了梯度功能材料的主要制备技术的原理、特点及其发展过程，阐明了梯度功能材料制备技术的发展现状，并对其发展方向进行了展望。
关键词：梯度功能材料； 制备技术； 发展方向
随着现代科学技术的不断进步与提高， 材料的使用环境及其性能要求越来越受到挑战，传统的材料很难经受现代科技中所面对的恶劣条件， 不能满足所需要的性能要求。 由此，材料研究领域逐渐引入新的理论方法及相应的实验制备技术，迫切期望能有新的材料来满足现代高技术领域的需求。 同时，实际应用的迫切需要和巨大的经济前景使得新材料与制备技术的研究成为各国材料工作者的研究热点之一。
20 世纪 80 年代后期，日本学者[1]提出梯度功能材料(Functionally Gradient Materials，简称 FGM) 的概念。 所谓的 FGM，其基本思想是：根据具体要求，选择使用两种具有不同性能的材料，通过连续地改变两种材料的组成和结构，使其内部界面消失， 从而得到功能相应于组成和结构的变化而缓变的非均质材料，以减小和克服结合部位的性能不匹配因素[2]。 复合材料是两种或两种以上材料的复合，一般的复合材料其材质是均匀分布的，所以其性能也是均匀的，并不能将材料的独特性能表现到极致。 例如陶瓷材料增强金属基复合材料，虽然金属加入陶瓷后耐高温耐摩擦等性能得到一定程度提高，但是其导电导热等金属材料的性能也有一定程度的下降， 怎样才能使得金属和陶瓷材料的性能都尽可能体现出来， 如果简单的在金属基体表面制备陶瓷的复合涂层，显然可以满足性能要求，但存在陶瓷涂层与金属基界面结合的问题，连接性较差， 而 FGM 连续呈梯度变化的结构就解决了这个问题。 FGM 的结构独特，使得其制备技术要求更高，该制备技术的研究就成为 FGM 的研究重点。
1 梯度功能材料的制备技术
FGM 的研究由材料设计、材料合成(制备)和材料性能评价三部分组成。 其中材料制备是 FGM 研究的核心，功能梯度材料的制备方法较多，主要有气相沉积法、等离子喷涂法、自蔓延燃烧高温合成法、粉末冶金法、激光融覆合成法、离心铸造法和电沉积法等。
1.1 气相沉积法[3]
气相沉积分为化学气相沉积、 物理气相沉积以及物理化学气相沉积。
1.1.1 化学气相沉积法
化学气相沉积(ChemicalVaporDeposition，简称CVD) 是把含有构成薄膜元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸气及反应所需其他气体引入反应室，在衬底表面发生化学反应， 并把固体产物沉积到表面生成薄膜的过程[4]。 CVD 法是通过调节原料气流量和压力等来精确地控制材料其组成、 结构与形态从一种组分到另一种组分连续变化来制备梯度功能材料。CVD 法的优点是容易实现分散相浓度的连续变化，可镀复杂形状的表面材料，沉积面光滑致密，沉积率高； 其缺点是不适于大尺寸基材表面的沉积，CVD 法大都处于高温高压环境之下，形状复杂、较大的部件容易产生变形。 日本学者通过控制气源 SiCl4和 CH4的比，在石墨基体上得到了 SiC/C(0.2～0.8mm厚)梯度功能复合材料[5]。 我国西北工业大学与上海交通大学采用 CVD 法成功在碳纤维表面制备了C-Si FGM 涂层[6]。
1.1.2 物理气相沉积法
物理气相沉积是利用蒸发或溅射等物理形式把金属从靶源移走， 然后通过真空或半真空空间使这些携带能量的蒸气粒子沉积到基片或零件的表面以形成膜层。 为了得到成分符合要求的梯度材料，在合成过程中必须严格控制反应气体流量。 PVD 法的优点是沉积温度低， 对基体热影响小；其缺点是沉积速度较慢，且不能连续控制成分分布，所制得的材料致密性较差，而且涂层结合力较低， 涂层易于剥落[7-8]。 日本科技厅金属材料研究所[9]利用真空阴极放电型 PVD 装置制备了 Ti/TIN、Ti/TIC、Cr/CrN 系FGM 薄膜。 我国五二研究所宁波分所采用磁控溅射PVD 法制备出了耐腐蚀的 Ta-10W/ 钢 FGM 涂层[10]。
1.1.3 物理化学气相沉积法
物理化学气 相沉积 (Physical Chemical Vapor Deposition，简称 PCVD)是结合了 PVD 和 CVD 的一种制备方法，它利用 CVD 温度一般高于 PVD 温度的特点，在基体材料高温侧采用 CVD 法，而在低温侧采用 PVD 法。 目前，已经通过使用 PCVD 法制备出了 30mm 厚的 SiC/C/TiC多层 FGM[11]。
气相沉积法的优势在于薄膜的制备， 其成功应用于刀具、模具、电学、医学以及特殊薄膜材料制备等领域， 目前此法的研究集中在新的薄膜材料的开发，工艺的优化以及辅助工艺和设备的研究等方面。
1.2 等离子喷涂法
等离子喷涂属于热喷涂技术，它是将粉末材料送入等离子体中或等离子射流中， 使粉末颗粒在其中加速、熔化或部分熔化后，在冲击力作用下，在基底上铺展并凝固形成层片， 进而通过层片叠层形成涂层的一类加工工艺[12]。 在喷涂过程中，通过改变原料粉末的组合比例、 等离子射流的温度和流速来调整组织和成分，来获得梯度功能材料。该法的优点是生产效率高，控制粉末成分组成比较方便， 沉积效率高， 加工所得涂层大小不受限制等， 但得到的梯度功能材料孔隙率高，层间结合力低，容易剥落，梯度层较薄[13-15]。 Chen 等[16]采用此法在 18-8 钢表面制备了 NiCrAl/(ZrO2+ Y2O3)涂层 ，张红松等[17]采用此法制备了 Ni/Al-ZrO2 梯度涂层。
1.3 自蔓延高温合成法
自蔓延高温合成是一种利用外部提供的能量诱发，使强放热体系的局部发生化学反应，此后反应放出的大量的热又使邻近的物料反应进行， 类似草原燃烧的火一样，待反应蔓延至整个试样时，原始的混合物料就转为产物，合成了所需的材料[18]。 SHS 制备FGM 是将具有可燃性的金属元素粉末与非金属粉末进行梯度层叠铺设后加压成型为坯样然后反应得到梯度材料。 SHS 法的优点是加工过程简单，加工时间短，生产效率高，产物纯度高且能耗少。 其缺点是不同组分材料发热量有差异， 烧结程度不同自蔓延过程难以控制，且产物疏松，进而影响材料的致密度，SHS 法只适于生成热大的化合物合成， 故适于自蔓延高温合成的合金系非常有限。 由于 SHS 法自身的缺陷， 故 SHS 一般结合一些辅助工艺连同应用，如自蔓延高温合成 / 快速加压法(SHS/QP)，通过在制备过程中加压，材料致密度显著提高。 大阪大学[19]用此法研制了 TiB2-Ti 系 FGM；张幸红等[20]利用 SHS 法结合准热等静压技术制备了致密性良好的 TiC-Ni 系梯度功能材料；刘建平等[21]利用 SHS 发结合快速加压法制备了了(TiB2+ Fe)/Fe 梯度材料。
1.4 粉末冶金法
粉末冶金是制取金属粉末或用金属粉末 (或金属粉末与非金属粉末的混合物) 作为原料， 经过成形和烧结，制取金属材料、 复合材料以及各种类型制品的工艺技术[22]。 粉末冶金法制备梯度功能材料是先将粉末原料按不同混合比均匀混合，然后以梯度分布方式逐层堆积，再压制烧结而成。 此法的优点是操作简单，易于控制，适于工业化生产且可制备大尺寸的梯度功能材料； 其缺点是 FGM 尺寸受模具限制，物料层与层之间组分变化连续性不好，不同组分间的界面难以完全消除等。 沈强等[23]用此法制备了 Ni/Ni3Al TiC 系 FGM；邹俭鹏等[24- 25]采用此法制备了 HA-316L 不锈钢纤维功能梯度生物材料。
1.5 激光熔覆合成法
激光熔覆是指以激光为热源， 通过不同的添加方法在被熔覆的基体上放置选择的涂层材料， 经高能密度激光束辐照加热，在基体表面快速熔凝，从而在基材表面形成与基体为冶金结合的表面涂层的工艺过程[26]。激光熔覆制备 FGM 就是改变熔覆材料的组分配比，在第一熔覆层的表面进行第二层熔覆，如此进行下去，可以实现任意层的 FGM。 在制备的过程中，就其送粉和产生梯度方式的不同，国内外大致有 3 种制备形式[27]：粉末自由沉降自然形成梯度、预置铺粉形成梯度和同步送粉形成梯度。
粉末自由沉降自然形成梯度， 即先用激光束在基材表面照射产生熔池， 然后在光斑后面的熔池内紧跟着送粉末 (要保证粉末不能和激光束接触)，随着熔池的逐渐冷却， 粉末在溶池中重力沉降自然形成梯度层。 此法优点是工艺简单、快速、效率高，适合材料的表面改性；其缺点是梯度的变化难以控制，熔池温度过高，冷却慢， 粉末可能在熔池凝固之前全部沉到底部。 熔池温度过低，冷却快，粉末可能还未沉降好，熔池就已凝固。 Pei 等[28-29]用此法制备了SiCP/Ti6Al4V 功能梯度材料层和 Al-Si%40/Al 梯度层；Riabkina-Fishman 等[30]采用此法在 M2 高速钢的表面获得了 WC 梯度涂层。
预置铺粉形成梯度， 就是先将已混匀的混合粉末铺在基体材料的表面， 在激光束照射下粉末与基材表面同时熔化，激光束移开后，熔化的金属冷却结晶形成与基体材料具有冶金结合的熔覆层， 在这层熔覆层的表面再铺另一种配比的混合粉末， 进行激光照射加工，如此往复，直到完成整个梯度涂层。 此法的优点是成分易控制，成本相对低，尤其是有的粉末不能用于同步送粉系统，这种方法就体现了优势；其缺点是只能用于表面较平整的基材上， 且铺粉厚度不好控制，所得熔覆层的结合强度相对较低，且易产生气泡等缺陷。 大连理工大学王存山等[31]采用预铺粉方式在 40Cr 钢表面用宽带激光熔覆了 Ni-WC复合梯度涂层；汤晓丹等[32]用此法在 H13 钢表面激光熔覆制备了 H13-TiC 梯度复合涂层。
同步送粉形成梯度，其原理和铺粉形式差不多，不同的是熔覆材料供给方式不一样而已， 就是激光加工配备自动送粉系统， 激光照射基体表面的同时粉末由送粉系统送到激光作用区。 此法的优点是易于实现自动控制，可以充分利用激光能量， 工艺参数易控制，覆层质量较好，生产效率高；其缺点是需要配置计数精确的送粉装备，粉末浪费较大， 成本相对较高，对粉末也有特殊要求，如粒度、流动性等，颗粒太小、流动性差、粘性大的粉末很难自动送粉。
刘常升等[33]采用同步送粉在铜板上激光熔覆制备了Co-Ni-Cu 梯度涂层 ；徐国建等[34]用此法在 SUS304不锈钢表面制备了钴基合金与碳化钒的 FGM。
1.6 离心铸造法
离心铸造就是将金属液搅入旋转铸型中， 使液态金属在离心力作用下充填铸型和凝固成形的一种铸造方法[35]。 离心铸造法制备梯度功能材料是日本学者福井泰好[36]于 1990 年首先提出的新型制备工艺，就是利用强化相质点与液态金属熔体之间的密度差异，在离心力的作用下引起质点偏析，制备出强化相呈梯度分布的功能材料。 离心铸造可以通过控制转速、颗粒尺寸、加工时间、温度来控制成分的梯度分布。根据工艺不同， 离心铸造制备梯度材料一般有以下3 种： ①将制备好的均质复合材料重熔后置于离心力场中铸造； ②离心铸造基体材料的同时添加强化粒子； ③利用合金元素反应所生成的强化相与基体熔体合金的密度差异，离心铸造制备梯度功能材料。离心铸造法的优点是设备简单，生产效率高，可以批量生产，成本低，可以制备高致密度、大尺寸的梯度功能材料； 其缺点是不能制备高熔点的陶瓷系梯度材料，且两组分间必须有密度差，一般仅适用于圆筒类铸件。 一些科研人员[37]利用离心铸造法制备出 SiC 体积分数含量呈梯度变化的铝基复合材料；哈尔滨工业大学[38]采用此法已经成功制备出 Al/Al2O3梯度材料；李健等[39]采用此法用 TiO2粉末与纯铝熔液原位反应生成 Al3Ti 颗粒增强相呈梯度分布的Al3Ti/Al 梯度功能复合材料。
此外，制备梯度功能材料的方法还有电沉积法、焊接法、电磁法、化学镀法、热分解法、仿生技术和凝胶浇注技术等。 总之采用不同的制备方法，材料的组成、样品尺寸和微观结构各有其特点。
2 展望
FGM 的研究和开发已成为当前材料科学研究的前沿课题。FGM 将在航空航天、机械工程、能源工程、电气工程、生物工程以及光、电、磁工程等领域有广泛应用前景， 也是高新技术领域的迫切需要。 目前，国外 FGM 已经在部分领域得到应用，但是国内对于 FGM 的研究大体还处于基础性研究阶段，对于制备技术还停留在方法的可行性， 制备工艺过程的探索阶段。 虽然国内对各种 FGM 制备方法的研究也很多且已经制得样品， 各种性能检测也都符合要求，但是 FGM 产品却很难推广到工厂形成规模。
究其原因， 首要是国内具有针对性的应用目标和相应理论的研究还比较少；其次是仍没有一种成熟的工艺应用于工业生产，大多制备方法都有其局限性：工艺过程长、生产效率低、生产设备系统操作复杂，生产成本较高，梯度成分的连续性，精确性难以把握等；最主要的一点是我国的主体研究还处于引进模仿、“中国制造”的阶段，虽然国家在不断呼吁自主创新，但成绩并不明显，前沿的高新的技术仍然依赖发达国家。
故未来的 FGM 制备应开发更精确控制梯度的技术，如近年来的计算机逐渐引入了控制系统，这就是一个好的开始。 接下来在进一步开发 FGM 的专家系统的同时尚需要对制备工艺的机理进行研究，如粉末冶金法的成型与烧结机理、SHS 法的反应机理等。 为弥补各自工艺的弊端，使 FGM 能推广到工厂生产，走上工业化道路，可尝试多种制备工艺相结合的方法，也可进一步探索新的制备方法，使其制备更为简单、实用化且成本低、产能高、适用范围广，尤其应该重视研究工程与产业化方面的科学问题，加强研究机构和企业的合作， 缩短产品研究到产品应用的过渡时间， 把研究产品推广到社会各个领域应用，这些都需要科技人员的深入研究和不懈努力。
参考文献略
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