功能梯度涂層材料功能梯度涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在實(shí)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(wàn)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(gè)環(huán)節(jié)綜合在一起進(jìn)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(diǎn)結(jié)合起來(lái)，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(jì)是否合理一般要通過(guò)生產(chǎn)檢驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(guò)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(qiáng)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(shí)，中國(guó)學(xué)者袁潤(rùn)章等也提出了FGM的概念，并率先在國(guó)內(nèi)開展了這方面的研究。FGM的設(shè)計(jì)思想是針對(duì)兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料，通過(guò)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(guò)程中和熱循環(huán)使用過(guò)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。

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(jìn)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(jì)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(qiáng)沉積相結(jié)合，利用注入、沉積、注鍍結(jié)合、界面動(dòng)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)。

在涂層制備過(guò)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(diǎn)、粒度分布、流動(dòng)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(jì)、電流、氣氛、送粉位置、送粉率、噴涂距離、噴槍移動(dòng)速度、基體預(yù)熱與冷卻等。

(4)涂層性能檢測(cè)

涂層性能檢測(cè)包括涂層成分與結(jié)構(gòu)、結(jié)合強(qiáng)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(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)對(duì)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(duì)影響涂層性能的關(guān)鍵因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(yán)格控制。 2100433B

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(duì)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(xì)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(xì)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(jī)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(dāng)量反對(duì)稱理論

1 FGM復(fù)合結(jié)構(gòu)的分析

2 FGM廣義當(dāng)量反對(duì)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(duì)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(guó)專家人名譯名對(duì)照表

索引

為滿足現(xiàn)代科技和國(guó)防武器熱防護(hù)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(qiáng)度舊功能梯度材料中不可避免地會(huì)存在空隙和滲進(jìn)雜質(zhì)等，在其使用過(guò)程中空隙和雜質(zhì)將會(huì)引起各種損傷現(xiàn)象，損傷積累到一定程度就會(huì)造成材料性能急劇下降影響功能梯度材料的強(qiáng)度與可靠性。現(xiàn)有針對(duì)新型復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)方法基本上沿用以往金屬材料的檢測(cè)方法，以超聲波法和聲阻抗法等為主．從實(shí)際情況看，將此類方法用于對(duì)復(fù)合材料的檢測(cè)并不理想，存在可檢測(cè)損傷類型少、檢出率低、檢測(cè)速度慢、檢測(cè)結(jié)果不能存儲(chǔ)、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(diǎn)和制造工藝等方面的較大差異，所以用現(xiàn)有的金屬無(wú)損檢測(cè)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(cè)問題。