[发明专利]双梯度复合涂层

说明书

技术领域

本发明涉及一种涂覆于固态金属、无机非金属、高分子及其复合材料等基体表面的高性能复合涂层，主要用于材料的防护和增加新的功能，减少涂层的残余应力、裂纹等自身缺陷，提高涂层的热稳定性及涂层与基体的连接性能，延长使用寿命。

背景技术

20世纪80年代后期，日本科学家提出了“功能梯度材料(Functionally Gradient Materials，FGM)”这一概念后，功能梯度材料的科学与技术就成为备受关注的焦点。FGM是一类通过结构和组成要素的连续或准连续变化，来获得性能相应于结构与组成的变化而渐变的非均质复合材料。FGM研究的重点主要集中在制备热应力缓和型的功能梯度材料上，近年来，梯度化作为一种材料的设计思想和结构控制方法已不再局限于热应力缓和功能，它在耐磨、耐热、耐腐蚀等结构材料方面都具有广泛的应用前景。

在FGM的多种应用中，功能梯度材料涂层具有独特的价值，在这种工艺中，梯度外层被沉淀到预制的大块构件上，在大块构件和外部涂层之间起优化过渡作用，涂层保护构件的其余部分避免受到构件外部恶劣的温度、腐蚀或磨损等条件的作用。梯度涂层技术的应用越来越广泛，已经成为材料的防护、提高性能和增加新的功能等方面的有效手段。制备梯度材料涂层的方法主要包括气相沉积法、等离子喷涂法、粉末热喷涂法、激光熔覆合成法、复合电沉积法等。

尽管梯度涂层和多层复合涂层技术缓和了热应力，有效改善了涂层与基体的相容性，提高了涂层和制品的性能和寿命，但工程应用特别是严酷环境下的应用往往仍不尽人意。梯度热障涂层是近年来发展较快并成功应用的涂层领域，仍然存在热膨胀匹配问题。尽管研究者通过梯度涂层、梯度涂层+过渡层(或称缓冲层)等方法提高热障涂层抗热震性能、抗氧化性能和使用寿命，但涂层与过渡层(热生长氧化物)、基体间的热失配的问题仍然是影响热障涂层材料热-力学性能和耐久性的关键因素。热障涂层的失效通常是高温下的氧化和热循环载荷综合作用的结果。失效模式主要是涂层的剥落和龟裂两种，损坏模式则是微裂纹的扩展、结合和大裂纹的增殖所致。热障涂层剥落的主要原因是热循环过程中应力的影响，包括温度梯度分布引起的热应力、涂层和基体热膨胀不匹配引起的热应力、合金缓冲层的热生长氧化物形成的应力以及相变应力等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种涂覆于固态金属、无机非金属、高分子及其复合材料基体表面的双梯度复合涂层，该复合涂层具有低应力、无裂纹、抗热震性良好优点。

本发明利用多元涂层的复合效应和涂层的可设计性，在金属、无机非金属、高分子及其复合材料等固体材料的表面制备出具有成份梯度和成份波中心值梯度的两种梯度的复合涂层。

本发明的技术解决方案是：双梯度复合涂层，在基体表面的涂层由多个子涂层组成，构成震荡波动的梯度，这种梯度由同时存在的两种梯度——成份梯度和成份波中心值梯度复合而成；每个子涂层都有成份变化趋势相反的两种成份梯度，相邻子涂层的成份梯度变化趋势相似，由基体到表面，相邻子涂层中构成梯度物质的成份平均值也有梯度变化，即成份波中心值梯度。

成份波的最大振幅的变化范围为0～100％，一般在5～50％之间变化较好，成份波中心值梯度的变化范围为0～100％。

涂层和基体为金属、无机非金属、高分子及其复合材料等固体材料。

从整体看，涂层由多个具有成份波的子涂层构成，由基体到表面，相邻子涂层的成份平均值形成梯度变化，即成份波中心值梯度；从局部看，每个子涂层都有相似的成份波的变化形式，每个子涂层内一种成份由高到低、再由低到高(另一种成份则相反)连续或准连续梯度变化，形成两种变化形式相反的成份梯度，但两种变化形式幅度不同，即子涂层成份波存在两个振幅，最大振幅与最小振幅存在差值ΔC和变化方向就是成份波中心值在该子涂层厚度上的成份变化大小和变化方向。简而言之，双梯度复合涂层是具有震荡波动性的梯度涂层。

本发明的特点在于：1)多种工艺可以实现本发明，制备工艺主要有化学气相沉积、物理气相沉积、电化学沉积、激光熔覆、热等静压、热喷涂、钎涂、溶胶-凝胶工艺、刷涂工艺、烧结等工艺，或多种工艺复合构成。2)所解决的关键问题是涂层与基体间的力学相容性的问题，即膨胀系数失配、内应力大、易出现裂纹、与基体或其它涂层间的连接性差、抗热冲击性能差的问题。3)能增加新的功能，除具有原梯度涂层的性能外，双梯度涂层还增加了一些新的功能，如表面压应力形成增强涂层和材料的连接强度，耐磨性能提高；双梯度涂层有利于涂层均匀磨损或均匀腐蚀(烧蚀)；提高涂层的使用寿命。4)适用面广。