功能梯度涂層材料

在實際使用中，因零件形狀、大小、材質(zhì)、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(shù)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(jié)合起來，內(nèi)容涉及所選擇的噴涂材料、涂層厚度、相應(yīng)的噴涂設(shè)備和工藝參數(shù)等，涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理一般要通過生產(chǎn)檢驗或現(xiàn)場試驗才能確定。

在熱障涂層中，由于粘結(jié)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(dǎo)致涂層內(nèi)應(yīng)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(nèi)應(yīng)力，提高涂層與基體的結(jié)合強度，材料科學(xué)家開始在常規(guī)熱障涂層中引入功能梯度材料制備技術(shù)。

日本學(xué)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(jié)構(gòu)(FGM)的概念。與此同時，中國學(xué)者袁潤章等也提出了FGM的概念，并率先在國內(nèi)開展了這方面的研究。FGM的設(shè)計思想是針對兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料，通過連續(xù)改變其組成、組織、結(jié)構(gòu)與孔隙等要素，使其內(nèi)部界面消失，得到性能呈連續(xù)平穩(wěn)變化的新型非均質(zhì)復(fù)合材料。借助功能梯度材料的概念，使熱障涂層結(jié)構(gòu)梯度化。相應(yīng)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(chǎn)生的熱應(yīng)力。功能梯度材料的典型結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

在涂層制備過程中所涉及的環(huán)節(jié)包括以下內(nèi)容：

(1)基體材料性質(zhì)

基體材料性質(zhì)包括其力學(xué)和熱學(xué)性能、抗氧化能力、零件大小及形狀和表面預(yù)處理

(2)噴涂材料性質(zhì)

噴涂材料性質(zhì)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(shè)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(yù)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(jié)構(gòu)、結(jié)合強度、熱力學(xué)性能、厚度、殘余應(yīng)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(zhì)量產(chǎn)生重要影響。為了獲得既滿足性能要求，質(zhì)量又穩(wěn)定的涂層，必須對影響涂層性能的關(guān)鍵因素進行優(yōu)化設(shè)計，了解其影響規(guī)律，找到影響涂層質(zhì)量穩(wěn)定性的主要因素，加以嚴格控制。 2100433B

采用得較多的等離子體噴涂、化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、物理-化學(xué)氣相沉積組合技術(shù)等制備方法，基本上都是在涂層中進行組成和結(jié)構(gòu)的梯度分布，雖然可以一定程度緩解界面熱應(yīng)力，但由于涂層材料的內(nèi)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(yīng)力，不利于涂層材料與基體材料的結(jié)合。

20世紀90年代新開發(fā)出的PIII-IBED技術(shù)將等離子體浸沒離子注入與離子束增強沉積相結(jié)合，利用注入、沉積、注鍍結(jié)合、界面動態(tài)反沖混合效應(yīng)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(yīng)用前景的功能梯度涂層材料制備技術(shù)。

前言

第1篇 梯度功能材料力學(xué)

一 緒論

1 梯度功能材料力學(xué)研究概況

2 梯度功能力學(xué)的研究任務(wù)及研究方法

2.1 FGM的一般力學(xué)理論

2.2 非均質(zhì)、各向異性、反對稱層合板結(jié)構(gòu)熱彎曲問題

2.3 求解懸臂板彎曲問題的各種形式的康托洛維奇方法

3 FGM宏細觀復(fù)合結(jié)構(gòu)的概念

……

二 非均質(zhì)、各向異性梯度功能材料結(jié)構(gòu)三維熱彈性本構(gòu)理論

1 非均質(zhì)、各向異性FGM復(fù)合結(jié)構(gòu)的三維熱彈性本構(gòu)方程

2 FGM彈性系數(shù)的細觀力學(xué)分析

3 三維FGM結(jié)構(gòu)層間力學(xué)模型與應(yīng)力研究

……

三 梯度功能材料層梁受機械/熱載作用的優(yōu)化分析理論

1 FGM層梁的分層剪切理論

2 FGM層梁數(shù)值分析與優(yōu)化

3 FGM懸臂梁的彈性性能與應(yīng)力分析

……

第2篇 梯度功能結(jié)構(gòu)力學(xué)

四 梯度功能復(fù)合結(jié)構(gòu)的廣義當量反對稱理論

1 FGM復(fù)合結(jié)構(gòu)的分析

2 FGM廣義當量反對稱結(jié)構(gòu)新概念的提出與分析

3 FGM結(jié)構(gòu)彎曲彈性特性與本構(gòu)彈性特性對應(yīng)關(guān)系

……

附錄A 梯度因子系數(shù)

附錄B 梯度單層位移

……

外國專家人名譯名對照表

索引

為滿足現(xiàn)代科技和國防武器熱防護材料結(jié)構(gòu)的需要，在工程中人們開始采用功能梯度材料。功能梯度材料是根據(jù)特殊的服役環(huán)境要求，使兩種不同的物理和力學(xué)性能的材料復(fù)合在一起，材料中間的組分呈連續(xù)梯度變化，消除明顯的材料界面，從而優(yōu)化材料使用和充分利用不同材料的物理性能和強度舊功能梯度材料中不可避免地會存在空隙和滲進雜質(zhì)等，在其使用過程中空隙和雜質(zhì)將會引起各種損傷現(xiàn)象，損傷積累到一定程度就會造成材料性能急劇下降影響功能梯度材料的強度與可靠性?，F(xiàn)有針對新型復(fù)合材料的無損檢測方法基本上沿用以往金屬材料的檢測方法，以超聲波法和聲阻抗法等為主．從實際情況看，將此類方法用于對復(fù)合材料的檢測并不理想，存在可檢測損傷類型少、檢出率低、檢測速度慢、檢測結(jié)果不能存儲、定量分析困難等不足。由于復(fù)合材料與金屬材料在物理性能、力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)特點和制造工藝等方面的較大差異，所以用現(xiàn)有的金屬無損檢測方法并不能完全解決復(fù)合材料及結(jié)構(gòu)件的損傷檢測問題。