[發(fā)明專利]梯度功能材料提高材料抗多碰塑變能力的應用

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210553113.5
• 申請日: 2012-12-19
• 公開（公告）號: CN102978607A
• 公開（公告）日: 2013-03-20
• 發(fā)明（設計）人: 傅戈雁;吳云霞;石世宏;郁佳莉;吳炯杰
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: C23C24/10
• 分類號: C23C24/10;B32B15/01
• 代理公司: 北京集佳知識產(chǎn)權代理有限公司 11227
• 代理人: 常亮

技術領域

本發(fā)明涉及梯度功能材料的應用，尤其涉及梯度功能材料用以提高材料抗多碰塑變能力的應用。

背景技術

在工程領域中，很多重要零部件在不斷碰撞的重復運動，它們主要通過接觸表面的反復碰撞來實現(xiàn)循環(huán)啟閉或運動和能量的傳遞，如發(fā)動機氣缸排氣閥、模具凹凸模、各類控制閥、泵等等。碰撞表面容易出現(xiàn)各種形式的損傷，嚴重時將導致零件失效，如開裂、鐓粗、凹陷、表面剝落等。工程中多碰零件的設計載荷一般都遠小于其材料的屈服極限，根據(jù)經(jīng)典強度理論，此應力作用下是不可能發(fā)生宏觀塑性變形的，但研究發(fā)現(xiàn)，在低應力多碰載荷條件下，材料的靜屈服強度和極限強度會隨著碰撞速度增大和應力作用的時間縮短而提高，即使碰撞應力僅為材料屈服極限的1/5~1/2時，材料仍然會發(fā)生累積損傷，引起裂縫的產(chǎn)生和擴展。這些零件除本身價值昂貴外，其失效后由于檢修、停產(chǎn)而帶來的間接經(jīng)濟損失往往更為巨大，所以尋求有效的方法來強化或修復零件的表面，從而提高其使用壽命，降低生產(chǎn)成本、提高系統(tǒng)的可靠性和安全性有著重要的意義。

目前，對承受較高的、反復的沖擊載荷的關鍵零部件，一般采用以下幾種方式來提高其抗多碰塑變能力：1、在整體上選用優(yōu)質或合金元素含量較高的材料。2、對材料進行整體強化，如添加適當?shù)臒崽幚砑夹g。陳子文在《從沖擊疲勞角度論鋼的滲碳及熱處理工藝》中提出：滲碳件的二次淬火比一次淬火工藝有高的多沖接觸疲勞壽命，而且適當提高回火溫度，把表面硬度控制在58~60HRC時具有最高的多沖壽命。3、選擇合適的材料對其工作表面進行強化，如添加涂層。傳統(tǒng)制備強化涂層的方法有堆焊、熱噴涂、噴焊等，但它們的界面相對孔隙率較高，夾雜物等缺陷較多，很多涂層與基體結合不牢固，在多沖碰撞載荷下容易發(fā)生應力集中而引發(fā)宏觀損傷甚至剝落失效。現(xiàn)代先進涂層制備方法中，主要采用激光束、聚焦光束、電子束等高能束作為熱源與材料作用來制備涂層。

為了滿足航空飛機上對高溫結構件的諸多嚴格要求，日本科學家最早提出了梯度功能材料（Functional?Gradient?Materials，簡稱FGM）的概念，在結構中引入成分和微觀結構梯度，以便在構件的生產(chǎn)中更好更全面的利用已有材料，避免由于外加應力和（或）溫度變化而在分割不同材料的銳利界面上引起的應力和（或）應變集中。后來隨著材料科學的不斷發(fā)展，梯度功能材料的概念也得到了進一步完善。FGM就是以計算機輔助材料設計為基礎，采用先進的材料復合技術，使構成材料的要素（組成和結構等）沿厚度方向由一側向另一側呈連續(xù)變化，從而使材料的性質和功能也呈梯度變化的一種新型材料。相比于突變涂層，它有如下優(yōu)勢：

1、熱應力可減至最小；

2、對于給定的熱機械載荷，它可推遲塑性屈服和失效的發(fā)生；

3、抑制自由邊界和界面結合處的嚴重的應力集中和奇異性；

4、與突變的界面相比，可以通過在成分中引入連續(xù)的或逐級的梯度來提高不同固體（如金屬和陶瓷）之間的界面結合強度。

梯度功能材料的制備方法有很多種，而且各有優(yōu)缺點。

1、物理氣相沉積法（PVD）：通過各種物理方法使固相物質蒸發(fā)進而在基體表面成膜的制備方法，即是固體原料→氣相→膜的過程。此方法沉積溫度低，可作為最后工序處理成品件；但沉積速率低，不能連續(xù)控制成分分布。

2、化學氣相沉積法（CVD）：通過賦予原料氣體不同的能量，在反應器中進行混合，使其產(chǎn)生化學反應而生成固相的膜沉積在基體上。此方法易實現(xiàn)分散相濃度的連續(xù)變化，可用多元系的原料氣體合成復雜的化合物；但需要高溫高壓，工件變形嚴重并存在危險性。

3、自蔓延高溫法（SHS）：利用兩種反應劑在一定條件下發(fā)生高放熱反應，產(chǎn)生高溫，使化學反應自動地持續(xù)下去，形成新的化合物。此方法過程簡單、反應迅速、產(chǎn)物純度高且能耗少；缺點是不同組分之間發(fā)熱量有差異、燒結程度不同且較難控制而影響材料的致密度。

4、激光熔覆法（LSC）：將混合后的粉末通過噴嘴噴至基體表面，然后通過改變激光功率、光斑尺寸和掃描速度加熱粉體，在基體表面形成熔池，并改變粉末成分，向熔池中不斷噴粉，以獲得梯度功能涂層。此方法可制備FGM薄膜，也可制備FGM體材，制備時間短，適用面廣；但需要的特殊設備都比較復雜昂貴。

5、等離子噴涂（PS）：將粉末作噴涂材料，以氣體作載體將粉末吹入等離子射流中，依靠等離子弧將粉末熔化，熔融的粒子被進一步加速，然后以極高的速度打在經(jīng)過凈化和粗化處理的基材表面，產(chǎn)生強烈的塑性變形，相互擠嵌、填塞，形成扁平的層狀結構涂層。此方法的優(yōu)點是沉積率高、無需燒結；但存在冶金結合和機械咬合。