功能梯度材料涂层制备技术的研究进展
林文松
表 面 技 术
功能梯度材料(Functionally Gradient Materials,FGMs),是一类通过结构和组成要素的连续或准连续变化,来获得性能相应于结构与组成的变化而渐变的非均质复合材料。近10年来,功能梯度材料的科学与技术成为备受关注的焦点。从一系列重要的国际功能梯度材料专题会议可以看出,无论是在工业上还是在学术上,这类材料都得到了广泛的研究[1]。
1995年以前,FGMs研究的重点主要集中在制备热应力缓和型的功能梯度材料上,主要是用于往返式航天器上的超耐热复合材料。近年来,“梯度化”作为一种材料的设计思想和结构控制方法已不再局限于热应力缓和功能,它的应用已经扩展到航空、航天、原子能、机械、化工、电子、生物医学等众多领域,尤其是在耐磨、耐热、耐腐蚀等结构材料方面具有广泛的应用前景[2-5]。
在FGMs的多种应用中,功能梯度材料涂层具有独特的价值。在这种工艺中,梯度外层被沉淀到预制的大块构件上,在大块构件和外部涂层之间起优化过渡作用,涂层保护构件的其余部分避免受到构件外部恶劣的温度、腐蚀或磨损等条件的作用。制备功能梯度材料涂层的方法主要包括气相沉积法、等离子喷涂法、粉末热喷涂法、激光熔覆合成法、复合电沉积法等。不同的制备方法有各自不同的特点,回顾和评述了制备功能梯度材料涂层的各种技术,并对其潜在的应用领域进行了讨论。
[摘 要] 综述了功能梯度材料涂层的主要制备技术和性能研究的现状,分析了功能梯度材料涂层目前的应用范围,并对其未来的应用领域作了展望。
[关键词] 功能梯度材料;涂层;电沉积;热喷涂;等离子喷涂;气相沉积；热喷涂http://www.sunspraying.com/kepuyuandi/repentu/20120914/1347588345484.html
1.1 气相沉积法
在这种工艺中,一种或几种气化金属元素产生物理气相沉积,同时在气相中引入碳或氮原子,并通过控制所引入的反应气体的浓度随时间的变化,实现金属/陶瓷气相共沉积,并产生梯度结构。这一工艺的主要优点是所产生的涂层可以非常薄[6]。采用该工艺已在多种基底材料上成功制得Ti/TiC和Ti/TiN多层薄膜。通过有控制地把N2或C2H2气体添加到等离子体加强的Ar气体中,C和N便被引入到涂层中。通过改变气体成分,便能改变金属薄膜中N或C原子的浓度,得到从纯金属到纯碳化物或纯氮化物成分逐渐变化的梯度涂层[7]。将气相沉积的金属靶改为Al和Al80Ti20,通过阶梯式或连续改变等离子气体中氮气的含量,制备了Al/Al(Ti)N梯度涂层[8]。
1.2 等离子粉末喷涂法
等离子粉末喷涂是将熔融状态的粉末材料,用高速气流雾化并喷射在基体表面形成涂层,是制备功能梯度材料涂层的有效方法。通过控制2种粉末的相对供给速率,能够得到预先设置的混合比例,从而得到一种梯度结构。这种工艺的特征是等离子火焰可以将绝大多数粉末熔化,并将粉末颗粒加速到相当高的数值,使得当熔化颗粒撞到固体基体上时变得相当扁平,当制备过程在低压或真空中进行时,所得到的涂层具有较低的孔隙率[9]。
为精确控制2种粉末的相对供给速率,可以采用单枪或双枪等离子沉积装置。采用单枪法是在等离子枪内各个合适的位置上,有目的地注入不同的粉末,或者采用轮流沉积的办法,每次沉积一个相,在依次沉积多层结构中,通过改变涂层厚度而产生梯度结构,为此,必须保证单枪喷涂时两相的喷涂轨迹相同。采用双枪法,是每一个相用各自的喷枪进行喷涂,因此可以独立地优化每一个梯度组元的喷射条件[10,11]。
采用该工艺已成功制得PSZ/Ni、NiCrAlY/ZrO2、Cu/W、Ni/Al2O3、WC/Co等梯度涂层,还开发了降低孔隙率和改变难熔相形貌的后续退火处理工艺[2, 10-12]。
1.3 粉末热喷涂法
在这种工艺中,将先前熔化的金属射流雾化,同时将固态增强颗粒如SiC或Al2O3混入到金属液滴中,使其与金属一起喷涂到基体上凝固,形成近乎致密的复合材料。通过连续改变增强颗粒的供给速率,可以产生具有梯度结构的复合材料涂层[13]。
为提高涂层的致密度,可以在喷涂后再进行热等静压处理,以消除梯度涂层中的孔隙。与等离子粉末喷涂法相比,这种工艺的局限性主要是粉末接受的能量较低,混合粉末中只有一相熔化,因此,较难熔化的相的体积分数不能超过30%,否则涂层的结合力就达不到实用要求[5]。
1.4 激光熔覆法
如果将材料A放置在基体材料B的表面上,并用激光照射材料A,使之与材料B表面的薄层一起熔化,由于相互扩散的结果,便会在基体材料B上产生材料A(含有B元素)的涂层。重复进行这一操作,便会在基体材料B基体上产生具有成分梯度(B含量逐渐减少)的涂层A。梯度的变化可以通过控制初始材料A的数量以及激光的功率和移动速度来得到。激光的功率和移动速度决定了熔化层的深度,从而也就决定了参与反应的基体材料B的数量[14]。
采用该工艺,用Ti-Al合金熔覆Ti,在基体Ti上获得了由纯钛到Ti-34.5%Al成分梯度变化的Ti-Al涂层[15]。
1.5 复合电沉积法
在电沉积过程中,通过控制镀液成分或在电镀溶液中添加陶瓷颗粒,并将这些颗粒混入到生长中的金属层的方法,可以制备梯度复合金属涂层[16-18]。研究表明,在Ni-陶瓷颗粒复合镀层中,陶瓷颗粒的体积分数与复合镀液中陶瓷颗粒的浓度和电镀的电流密度密切相关,复合镀液中陶瓷颗粒的沉积速度随电镀电流密度的增加而降低[16]。因此,通过控制电镀过程中的电流密度和改变镀液中陶瓷颗粒浓度[17, 18]的方法。可以制备陶瓷颗粒在基体金属中的浓度成梯度变化的功能梯度镀层。这种方法与改变电镀电流密度不同,采用控制镀液中陶瓷颗粒浓度来制备梯度镀层的方法,其优点是可以在整个电镀过程中维持较低的电流密度,从而避免沉积过程中的不稳定性;缺点是沉积过程必须更新电镀液,或者通过某种机构向镀液供给不同数量的陶瓷颗粒。由于陶瓷颗粒与镀液混合均匀性的问题,要达到精确的控制较为困难[16]。
2 性能和应用研究
如前所述,功能梯度涂层现实和潜在的应用主要在耐高温、耐磨损、耐腐蚀等领域。由于梯度涂层的存在,基体构件可以在恶劣的外部条件下稳定地发挥其功能。
2.1 功能梯度涂层在耐高温领域的应用
Moriya S等人研究了在火箭推进器燃烧室内壁材料上涂覆一层镍-部分稳定氧化锆(Ni-PSZ)的功能梯度涂层,从内到外,PSZ的浓度由0增加到100%,如图1所示。第Ⅰ层为0.2mm厚的纯PSZ层,第Ⅱ层厚0.4mm,PSZ的浓度由25%增加到100%,第Ⅲ层厚度为2mm,PSZ浓度由0增加到25%,第Ⅳ层为纯镍层[11]。热循环试验结果表明,FGM涂层的内壁材料的耐热性明显高于没有FGM涂层的材料。对内燃机燃烧室FGM热障涂层的研究表明,将金属(NiCr基合金)和陶瓷(ZrO2)复合而成的梯度涂层可以充分发挥这2种材料的优异性能,提高内燃机的热效率[19-21]。
2.2 功能梯度涂层在耐磨损领域的应用
在高速钢或硬质合金刀具上沉积一陶瓷层,可以大大提高刀具的使用寿命。为了使成分发挥陶瓷涂层的功能,必须保证涂层与基体材料结合良好。采用化学气相沉积工艺,在刀具基体上沉积浓度逐渐变化的TiCN功能梯度涂层,可以较好地解决结合力的问题。试验结果表明,采用这种涂层后刀具的使用寿命可以提高3~10倍[6,22]。
2.3 功能梯度涂层在耐氧化领域的应用
由于功能梯度涂层具有高的耐热性,它在耐高温氧化领域具有良好的应用前景[23]。试验结果表明,采用火焰喷涂在铜材表面形成Ni/Al-Al2O3功能梯度涂层,制备的渣口,在高温铁水和铁渣环境中,具有良好的耐烧损能力,使用寿命提高了2倍以上[24]。
3 结束语
FGM涂层制备技术的发展,拓宽了新材料的研究思路和应用领域。目前,FGM涂层制备的成本还相对较高,阻碍了其进一步的应用。发展可以工业化应用的制备技术及其相关设备是当务之急。可以预计,更为实用化的、工艺简单、产能大、适用范围大的FGM制备技术必将推动新材料科学和技术的发展。
参考文献略
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