[科普中国]-功能梯度涂层材料

功能梯度涂层材料（functionalgradient coating）是指在预先制成的基体上通过涂层方法进行制备的一类具有梯度结构的涂层材料，对于提高涂层与基体的结合强度，赋予材料表面新的功能具有独到的优越性。理想的功能梯度涂层应该是从基体到涂层表面实现完全的组成与结构的梯度变化，但目前在涂层梯度材料的制备中还存在严重的不足。1

制备方法目前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。

功能梯度涂层结构设计在实际使用中，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所示。2

涂层制备工艺优化设计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。2

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学