功能梯度涂层

类 别

性 能 和 应 用

三、功  能  梯  度  涂  层

在通常情况下，涂层与基体不属同一类材料，突变界面的涂层与基体间由于各自热膨胀系数不同等性能差异，存在较大的应力，导致涂层与基体结合不牢，涂层厚度也受到限制。功能梯度涂层可使基体到涂层的成分逐渐变化，形成一个缓和应力的过渡层。这样既保证了涂层与基体的结合，又保证了涂层使用要求的特殊性能

功能梯度涂层可用多种方法制备，如用热喷涂法，通过多次逐层喷涂，并随之变化成分，即可得到一定的梯度涂层。用IBAD法，在反应气分压一定时，通过变化蒸发速率或溅射速率也可方便地获得梯度涂层

梯  度  涂  层

(1)Ni-WC梯度涂层

涂层内WC颗粒含量从基体到表面逐渐增多。图a示出该梯度涂层与普通激光重熔涂层硬度沿深度的分布曲线。图b示出该梯度涂层与对比涂层的累计磨损失重与行程的关系曲线。表明梯度涂层从基体到表面硬度缓慢上升，有一明显的过渡区，这种内韧外硬的涂层比普通激光重熔涂层的耐磨性提高很多

(2)Ta-W梯度涂层

Ta-W合金是目前解决高初速、高射速火炮内膛表面烧蚀问题的较理想的涂层。为了增加涂层与基体的结合强度，某所进行了用磁控溅射法制备梯度过渡层的试验研究。靶材选用Ta-10W，过渡区的成分用调整靶的功率加以控制。设过渡区靶材的原子百分浓度为C，选用C＝X/D，C＝(X/D)²，C＝(X/D)^1/2(其中，X为距基体表面的距离，D为过渡层的厚度)三种曲线形式加以过渡，过渡区外再涂一层同厚度的纯Ta-10W层。AES等分析证明，过渡区内各元素变化形式与理论设计基本相符，过渡层与外层组织均为纤维状结构，且界面不明显，结合良好

热障涂层(隔热涂层)

(3)NiCrAl结合层/40/60ZrO₂-CoCrAlY(0.5mm)/85/15ZrO₂-CoCrAlY(05mm)/ZrO₂陶瓷表层(1.5mm)热障四层复合梯度涂层

一般的热障涂层由热绝缘陶瓷层(多使用稳定的或部分稳定的ZrO₂)和结合底层(多用MCrAlY，M是Fe、Co、Ni或NiCo)所组成

为了减小由于金属材料和陶瓷材料热膨胀系数的不同而引起的涂层内热应力，提高涂层的结合强度和抗热震能力，在底层和陶瓷表层之间可引入不同层数和厚度的底层材料和表层材料组成成分呈梯度变化的中间过渡层

一般热障涂层的结构有如图a所示的双层系统，图b所示的多层系统和图c所示的梯度系统。其中双层系统由黏结层(过渡层)和隔热的陶瓷层组成；多层系统通常由黏结层、陶瓷隔热层、氧扩散阻碍层、耐蚀层和封闭层等组成

制备梯度热障涂层可用物理气相沉积和等离子喷涂等方法，由于等离子喷涂法沉积速度快，能在一个工艺过程中完成整个热障涂层的制备，因而目前常被采用。一些厚的梯度热障涂层已应用在柴油机的一些零件上，并具有巨大的应用前景。二维有限元模拟计算表明：四层25mm厚的热障复合梯度涂层能满足柴油机零件工况要求。它由NiCrAl结合层、40/60ZrO₂-CoCrAlY(0.5mm)、85/15ZrO₂-CoCrAlY(05mm)及1.5mm厚的ZrO₂陶瓷表层组成

梯度热障复合涂层在飞机发动机、陆地燃气轮机、柴油机、锅炉燃烧器等高温零部件上已有不同程度的应用

几种热障涂层的典型结构