[科普中國]-功能梯度涂層材料

功能梯度涂層材料（functionalgradient coating）是指在預先制成的基體上通過涂層方法進行制備的一類具有梯度結構的涂層材料，對于提高涂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(yōu)越性。理想的功能梯度涂層應該是從基體到涂層表面實現(xiàn)完全的組成與結構的梯度變化，但目前在涂層梯度材料的制備中還存在嚴重的不足。1

制備方法目前采用得較多的等離子體噴涂、化學氣相沉積、物理氣相沉積、物理-化學氣相沉積組合技術等制備方法，基本上都是在涂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，但由于涂層材料的內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力，不利于涂層材料與基體材料的結合。

20世紀90年代新開發(fā)出的PIII-IBED技術將等離子體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(tài)反沖混合效應等，能夠較好地解決組分的梯度分布問題，是一種具有廣闊應用前景的功能梯度涂層材料制備技術。

功能梯度涂層結構設計在實際使用中，因零件形狀、大小、材質、使用環(huán)境及服役條件等千差萬別，要獲得最佳的涂層使用性能，必須將熱噴涂技術所涉及的各個環(huán)節(jié)綜合在一起進行優(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結合起來，內容涉及所選擇的噴涂材料、涂層厚度、相應的噴涂設備和工藝參數(shù)等，涂層結構設計是否合理一般要通過生產檢驗或現(xiàn)場試驗才能確定。

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

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，并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(xù)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(xù)平穩(wěn)變化的新型非均質復合材料。借助功能梯度材料的概念，使熱障涂層結構梯度化。相應地，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程中和熱循環(huán)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。2

涂層制備工藝優(yōu)化設計在涂層制備過程中所涉及的環(huán)節(jié)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)噴涂材料性質

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

(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、噴嘴設計、電流、氣氛、送粉位置、送粉率、噴涂距離、噴槍移動速度、基體預熱與冷卻等。

(4)涂層性能檢測

涂層性能檢測包括涂層成分與結構、結合強度、熱力學性能、厚度、殘余應力及涂層孔隙率等。

上述提及的每一個環(huán)節(jié)都會對涂層質量產生重要影響。為了獲得既滿足性能要求，質量又穩(wěn)定的涂層，必須對影響涂層性能的關鍵因素進行優(yōu)化設計，了解其影響規(guī)律，找到影響涂層質量穩(wěn)定性的主要因素，加以嚴格控制。2

本詞條內容貢獻者為:

李雪梅 - 副教授 - 西南大學