1、 功能梯度材料的制备及发展趋势摘 要 功能梯度材料是一种新型材料,由于其结构和性能的优异特性,已成为材料领域研究的热点。对国内外功能梯度材料的研究进展进行了综述,重点阐述了功能梯度材料的制备、应用及其发展趋势。关键词 功能梯度材料; 热喷涂; 应用; 发展趋势0 前 言功能梯度材料( functional gradient material, FGM) ,即材料的组分和结构从材料的某一方位(一维二维、三维)向另一方位连续地变化,使材料的性能和功能也呈现梯度变化的一种新型材料 14 。航天技术的发展对材料的性能提出了新的要求,如航天飞机发动机燃烧室器壁,一侧承受 2 000 以上的高温,另一侧承
2、受低温液氢冷却,传统的单相材料已经无法满足要求 5 ,若采用多种复合材料,由于各相的热膨胀系数的差异,会在材料内部产生较大的热应力,致使涂层在较小冲击力下即可剥落,为满足这种适应较大温差下工作的新材料, 20 世纪 80 年代后期,日本学者新野正之等首先提出功能梯度材料的概念 6 ,很快引起多个国家宇航领域科技工作者的极大关注 7 ,功能梯度材料的研究在各国迅速展开,二十多年来,国内外在功能梯度材料的组织结构、性能、制备工艺、设备以及材料的应用等方面都取得了令人瞩目的成果,本文从功能梯度材料的制备、应用方面综述了 FGM 的研究状况,并展望其前景。1 功能梯度材料的制备方法目前已经提出多种制备
3、方法,但总体来看分为两大类:间断梯度层和连续梯度层,前者是指各层间总存在成分间断,后者是利用自然迁移现象来实现成分的连续过渡。1. 1 气相沉积气相沉积法分为化学气相沉积法(CVD)、物理气相沉积法(PVD)以及物理化学气相沉积法(PCVD) 8, 9 。CVD 法制备 FGM 是通过赋予原料气体不同的能量,在反应器中进行混合,使其产生化学反应而生成固相的膜沉积在基体上,通过选择合成温度、调节原料气流量和压力来控制梯度沉积膜的组成与结构,通常采用高频等离子 CVD 与高频和直流弧并用的放电等离子 CVD 来制造功能梯度材料。其优点是容易实现分散相浓度的连续变化,缺点是需要高温高压,工件变形严重
4、并存在危险性。日本东北大学采用此法制备了 C /C、Si/C、TiC/C 系 FGM 10 。PVD 法制备 FGM 是通过各种物理方法使固相物质蒸发进而在基体表面成膜,通过改变蒸发源可以合成多层不同的膜。其优点是沉积温度低,对基体热影响小,缺点是沉积速率低,且不能连续控制成分分布。王永康等采用此法已经制备出Ta 2Low/钢梯度涂层材料;加拿大采用此法制备出超合金表面热障涂层 MCrAlY的梯度功能材料 8 ;日本科技厅金属材料研究所采用此法已制备出Ti/TiC、Ti/TiN、Cr/CrN 系 FGM 11 。此外,从制备表面涂层 CVD 法发展而来的化学气相渗入法制备 FGM 也取得了一定
5、的进展。PCVD 是制备 FGM 的新趋势,结合了 PVD 和 CVD 的优点。利用 CVD 温度一般高于 PVD 温度的特点,在基体材料低温侧采用 PVD,在高温侧采用 CVD,扩大了使用范围。目前,采用此法已制备出 SiC/C /TiC 多层 FGM,厚度可达 30 mm 12 ;邢世凯等采用此法在气缸套、活塞、活塞环等零件表面渗镀一层氮化硼、氮化硅陶瓷薄膜,使得零件的磨损量减少,提高了镀膜零部件的使用寿命 。1. 2 等离子喷涂等离子喷涂法( PS)是将粉末材料送入等离子体(射频放电)中或等离子射流(直流电弧)中,使粉末颗粒在其中加速、熔化或部分熔化后,在冲击力的作用下,在基底上铺展并凝
6、固形成层片,进而通过层片叠层形成涂层,通过调节等离子流的温度和流速,原料粉末成分和供给条件,从而实现薄膜组成的调节,等离子喷涂常用的气体是 Ar 和 N2。其优点是生产效率高,制备的涂层质量好,喷涂材料范围广,成本低等,但涂层中较多的疏松与孔洞以及片层界面都可能成为导致涂层失效的裂纹源 。王富耻等采用此法已制备出 ZrO2 和 NiCrAl 体积分数不等的 7个梯度层,并研究了功能梯度热障涂层在瞬态热负荷下的破坏机理。K. A. Khor等采用此法已制备出 YSZ/NiCoCrAlY 梯度材料,并研究了其微观结构、理化性能和热性能。研究结果表明,与双层材料相比,功能梯度材料的性能更优异, FG
7、M 涂层的结合强度为 18MPa,双层涂层的结合强度仅为 9MPa, FGM 涂层的热循环寿命是双层涂层的 6 倍 。S Rangaraj 等设计了 5 种不同成分的 YSZ 梯度涂层,并研究了涂层设计对 YSZ 涂层性能的影响。研究结果表明,莫来石成分的添加会降低涂层表面裂纹生长驱动力。日本新日铁公司采用低压等离子喷涂技术成功制备出了厚度分别为 1 mm 和 4 mm 的 N i220Cr /ZrO228% Y2O3 梯度薄膜 。此外, 已被研究的其他体系包括: Cu /W、Cu /B4 C、Al2 O32Cr2 O3 /Ni 基合金、CoCrA lY 或 NiCo2CrAlY/ZrO2、M
8、o /TiC、YSZ/Ni 220% Cr、Ni/Al2O3、WC /Co等; F. Chen 等采用此法在 18 28 钢表面制备了 Ni2CrAl/ ( ZrO2 + Y2O3 )涂层 ;张红松等采用此法制备了 N i/Al2ZrO2 梯度涂层 。1. 3 自蔓延高温合成自蔓延高温合成法( SHS)是利用两种反应剂在一定条件下发生高放热反应,产生高温,使化学反应自动地进行下去,形成新的化合物。其优点是过程简单,反应迅速,适用范围广,产物纯度高,能耗少,缺点是由于不同组分之间发热量有差异、烧结程度不同且较难控制,常压下材料的致密度不高,并且受工件(基体)形状的限制 。目前, 采用此法已制备出
9、 Al/TiB2、Cu /TiB2、Ni/TiC、MoSi2 /Al2 O3 /Ni/Al2 O3 /MoSiS2 等梯度材料。1. 4 粉末冶金粉末冶金法( PM)是制备 FGM 最常用、最简单的方法,一般是先成形后烧结,通过控制和调节原料粉末的粒度分布、烧结温度、烧结时间和烧结收缩的均匀性获得热应力缓和的 FGM。其优点是设备简单、易于操作、成本低,缺点是难以实现物料层组分的连续变化,不能完全消除料层间界面 8 。PM 法可分为喷射沉积法、薄膜叠层法、粉浆浇注法和浸渍法等。喷射沉积可以直接得到金属与陶瓷粉末相组成具有最佳梯度分布的预成形坯,然后经压制、烧结制得 FGM,解决了层与层间易产生
10、成分非连续变化的问题。此外,将不同配比的金属粉、陶瓷粉和粘结剂制成悬浮液,然后喷射到基底上,通过改变原粉料成分配比来控制喷射相的成分,最终也可以获得梯度材料。薄膜叠层法是在金属和陶瓷粉末中掺微量粘结剂,制成泥浆并脱出气泡压成薄膜,然后将这些不同成分和结构的薄膜脱除粘结剂后进行叠层、烧结。其优点是每层可以做得很薄,成分变化相对较小。国内采用此法已制备出 PSZ/Mo 等体系的梯度材料,M. Gruji2cic 等采用此法已经制备出 MgO /Ni 系的梯度材料 。粉浆浇注法是将原料粉末均匀混合成浆料,注入模型内干燥,通过连续控制粉浆配比,得到成分连续变化的工件。韩国汉阳大学采用此法已制备出 Y2
11、 O32ZrO2 /304 不锈钢系的梯度材料; Sanchez2Herencia 等采用该法已经制备出Al2O3 /ZrO2 系的梯度材料;日本九州大学采用此法已经制备出 Al2O3 /Ni/Cr系的 FGM。浸渍法是将原料粉末配制成悬浮液,浸渍在基体上,调整悬浮液成分,可改变涂层成分,然后经过脱脂、烧结,得到 FGM。A. Neubrand 等采用该法已经制备出SiC /C 系的梯度材料。1. 5 激光熔覆激光熔覆法(LSC)是将混合后的粉末通过喷嘴喷至基体表面,然后通过改变激光功率、光斑尺寸和扫描速度加热粉体,在基体表面形成熔池,并在此基础上通过改变粉末成分,向熔池中不断喷粉,获得功能梯
12、度涂层。其优点是既可以制备FGM 薄膜,也可以制备 FGM 体材,制备时间短,适应面较广,缺点是制备工艺及设备都比较复杂昂贵。Fraunhofer 采用此法已经制备出AlCu /316L 不锈钢系的梯度涂层,有人采用此法制备了 Ti/Al/TiB2 ,在涂层内Al 的质量分数由 12%左右连续地变为零。1. 6 其他方法电化学法(ECM)是根据电解质溶液的特性和物质发生电化学反应的难易程度不同,利用电解作用和化学反应使溶液中不同的离子同时还原,并沉积在基体表面形成镀层,随着加工过程中电流密度和电解质浓度的变化,镀层的成分和结构会发生相应的变化。其优点是绕镀性好,可镀复杂形状工件,缺点是材料的孔
13、隙率较高、强度低。离心铸造法是利用离心力场中合金密度差异引起的表面沉积特性来制备梯度功能材料 26 。其优点是能制备致密度高、尺寸大的梯度材料,缺点是不能制备高熔点的陶瓷系梯度材料,也不能制备从一种纯物质相向另一种纯物质相连续变化的梯度材料。王渠东等利用初生相 FeAl3 与液相之间的密度差及其两相区温度间隔很大、液相线很陡的特点,采用离心铸造制备了初生 FeAl3 偏聚于管件外层并由外向内 FeAl3 量呈梯度分布的铝铁复合管件 8 ;哈尔滨工业大学采用此法已经成功制备出 Al/Al2O3、SiC /A356 梯度材料 。2 功能梯度材料的发展前景功能梯度材料的研究包括材料设计、材料合成和材
14、料性能评价三个方面,材料合成是功能梯度材料研究的核心,材料设计是为材料合成提供最佳的组成和结构梯度分布,材料性能评价是建立准确评价功能梯度材料性能的一套标准化试验方法,三者紧密相关,相辅相成。解决材料设计、材料合成和材料性能评价仍然是功能梯度材料发展中不容忽视的任务,而且要经济,使功能梯度材料得到广泛应用成为现实,特别是在航空航天、核反应、电子、电磁、化学、生物医学诸多领域得到广泛应用。与此同时,在功能梯度材料的研究与应用中引入计算机模拟设计与试验结合的纳米技术和智能材料研究,深入研究各种应用中的失效机理,以进一步提高 FGM 的抗热震性能,也将成为功能梯度材料的研究重点。 参考文献 1 黄敬
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