功能梯度涂层材料

在实际使用中，因零件形状、大小、材质、使用环境及服役条件等千差万别，要获得最佳的涂层使用性能，必须将热喷涂技术所涉及的各个环节综合在一起进行优化处理，特别是要注意将喷涂材料与各种热喷涂工艺的特点结合起来，内容涉及所选择的喷涂材料、涂层厚度、相应的喷涂设备和工艺参数等，涂层结构设计是否合理一般要通过生产检验或现场试验才能确定。

在热障涂层中，由于粘结层金属和氧化锆陶瓷的热膨胀系数差异较大，这种差异将导致涂层内应力过大，并且在热循环条件下常发生陶瓷涂层的早期破坏。为了减小内应力，提高涂层与基体的结合强度，材料科学家开始在常规热障涂层中引入功能梯度材料制备技术。

日本学者新野正之、平井敏雄和渡边龙三首先提出了FGM功能梯度结构(FGM)的概念。与此同时，中国学者袁润章等也提出了FGM的概念，并率先在国内开展了这方面的研究。FGM的设计思想是针对两种或两种以上性质不同的材料，通过连续改变其组成、组织、结构与孔隙等要素，使其内部界面消失，得到性能呈连续平稳变化的新型非均质复合材料。借助功能梯度材料的概念，使热障涂层结构梯度化。相应地，热膨胀系数将沿涂层厚度方向逐渐变化，从而缓和涂层制备过程中和热循环使用过程中产生的热应力。功能梯度材料的典型结构如下图1所示。

在涂层制备过程中所涉及的环节包括以下内容：

(1)基体材料性质

基体材料性质包括其力学和热学性能、抗氧化能力、零件大小及形状和表面预处理

(2)喷涂材料性质

喷涂材料性质包括成分、相稳定性、粉末形态、熔点、粒度分布、流动性和密度等。

(3)制备工艺参数

制备工艺参数包括工艺方法(APS、IPS、VPS和RF等)、喷枪类型、喷嘴设计、电流、气氛、送粉位置、送粉率、喷涂距离、喷枪移动速度、基体预热与冷却等。

(4)涂层性能检测

涂层性能检测包括涂层成分与结构、结合强度、热力学性能、厚度、残余应力及涂层孔隙率等。

上述提及的每一个环节都会对涂层质量产生重要影响。为了获得既满足性能要求，质量又稳定的涂层，必须对影响涂层性能的关键因素进行优化设计，了解其影响规律，找到影响涂层质量稳定性的主要因素，加以严格控制。 2100433B

采用得较多的等离子体喷涂、化学气相沉积、物理气相沉积、物理-化学气相沉积组合技术等制备方法，基本上都是在涂层中进行组成和结构的梯度分布，虽然可以一定程度缓解界面热应力，但由于涂层材料的内渗限制和基体表面不可避免的钝化现象存在，不可能彻底消除涂层材料与基体材料的界面，仍然存在较大的界面能和界面热应力，不利于涂层材料与基体材料的结合。

20世纪90年代新开发出的PIII-IBED技术将等离子体浸没离子注入与离子束增强沉积相结合，利用注入、沉积、注镀结合、界面动态反冲混合效应等，能够较好地解决组分的梯度分布问题，是一种具有广阔应用前景的功能梯度涂层材料制备技术。

前言

第1篇 梯度功能材料力学

一 绪论

1 梯度功能材料力学研究概况

2 梯度功能力学的研究任务及研究方法

2.1 FGM的一般力学理论

2.2 非均质、各向异性、反对称层合板结构热弯曲问题

2.3 求解悬臂板弯曲问题的各种形式的康托洛维奇方法

3 FGM宏细观复合结构的概念

……

二 非均质、各向异性梯度功能材料结构三维热弹性本构理论

1 非均质、各向异性FGM复合结构的三维热弹性本构方程

2 FGM弹性系数的细观力学分析

3 三维FGM结构层间力学模型与应力研究

……

三 梯度功能材料层梁受机械/热载作用的优化分析理论

1 FGM层梁的分层剪切理论

2 FGM层梁数值分析与优化

3 FGM悬臂梁的弹性性能与应力分析

……

第2篇 梯度功能结构力学

四 梯度功能复合结构的广义当量反对称理论

1 FGM复合结构的分析

2 FGM广义当量反对称结构新概念的提出与分析

3 FGM结构弯曲弹性特性与本构弹性特性对应关系

……

附录A 梯度因子系数

附录B 梯度单层位移

……

外国专家人名译名对照表

索引

为满足现代科技和国防武器热防护材料结构的需要，在工程中人们开始采用功能梯度材料。功能梯度材料是根据特殊的服役环境要求，使两种不同的物理和力学性能的材料复合在一起，材料中间的组分呈连续梯度变化，消除明显的材料界面，从而优化材料使用和充分利用不同材料的物理性能和强度旧功能梯度材料中不可避免地会存在空隙和渗进杂质等，在其使用过程中空隙和杂质将会引起各种损伤现象，损伤积累到一定程度就会造成材料性能急剧下降影响功能梯度材料的强度与可靠性。现有针对新型复合材料的无损检测方法基本上沿用以往金属材料的检测方法，以超声波法和声阻抗法等为主．从实际情况看，将此类方法用于对复合材料的检测并不理想，存在可检测损伤类型少、检出率低、检测速度慢、检测结果不能存储、定量分析困难等不足。由于复合材料与金属材料在物理性能、力学性能、结构特点和制造工艺等方面的较大差异，所以用现有的金属无损检测方法并不能完全解决复合材料及结构件的损伤检测问题。