功能梯度材料的制备及发展趋势综述

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[ 1～4 ] 。

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, FGM 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、Mo /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 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。