CN109825796A - 一种二维梯度结构过渡层 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种二维梯度结构过渡层，在基体与切向渐变涂层之间引入二维梯度过渡层，过渡层复合比沿法向、切向二维梯度变化。过渡层复合比的法向梯度变化可以缓和涂层与基体间热应力，过渡层的复合比的切向梯度变化，克服热应力沿切向的差异。

Description

一种二维梯度结构过渡层

技术领域

本发明涉及表面工程技术领域，具体涉及一种二维梯度结构过渡层。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

切向渐变涂层的材料配伍沿零部件表面切向方向渐变，可满足表面不同区域的服役性能差异化需求，如图1所示。但是，当切向渐变涂层材料与基体材料间热膨胀系数、弹性模量与热导率等热物理性质存在较大差异时，涂层可能因热应力大而导致孔隙率高、结合强度不佳，使用时甚至因内应力而开裂与剥落。

传统上，通过引入梯度变化的过渡层，可有效降低涂层与基体间热应力，提升涂层的服役性能，如图2所示。

发明人发现，现有过渡层的材料配伍呈一维梯度变化，虽能有效降低传统均质涂层与基体间的热应力，但是，沿切向均质的过渡层难以适应切向渐变涂层的切向变化，热应力沿切向的差异导致横向裂纹的产生，甚至产生开裂与剥落，影响涂层的综合服役性能。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种二维梯度结构过渡层，结合切向渐变涂层特点引入材料配伍的切向变化，构建一种法向、切向二维梯度结构过渡层，克服热应力沿切向的差异，避免横向裂纹的产生，如图3所示。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

一种二维梯度结构过渡层，过渡层材料配伍沿法向、切向二维梯度变化；所述二维梯度过渡层为复合材料，其材料配伍由复合比来表征。

上述设计有效地避免了功能层与基体之间材料成分和性能的突然变化导致的局部应力集中，复合涂层的内应力小，在高温、冲击载荷下，涂层切向承受的热应力、冲击应力得到一定的缓和；同时，由于本申请采用二维梯度结构，功能层与基体的结合强度显著提高。

目前，表示涂层组成的梯度变化的分布函数形式的选择直接影响梯度功能材料的热应力解析结果和组成梯度分布优化的结果，因此，在一些实施例中，所述过渡层的复合比沿法向梯度变化，复合比的梯度变化规律采用幂函数法设计，其中幂函数为WAKASHIMA等提出的幂函数。

为了平衡热应力沿切向的差异，减少横向裂纹的产生，因此，在一些实施例中，所述过渡层的复合比沿切向梯度变化，与切向渐变涂层的复合比变化规律一致，通过对不同幂函数分布指数、复合比设计的涂层的实验研究和系统分析发现：上述设计更有利于避免应力的集中，获得的复合涂层结合力更高。

在一些实施例中，所述过渡层上负载有切向渐变涂层，所述切向渐变涂层材料配伍沿切向变化。上述设计解决了均质材料涂层不能满足冲击角度大范围变化的复杂型面的抗冲蚀问题，其得出热喷涂涂层复合比和冲击角度变化的对应关系，使得复杂型面零部件表面的热喷涂涂层性能匹配各部位需求的抗冲蚀性能。

本发明还提供了一种复合涂层，包括：

基体；

负载在基体上的粘结层；

负载在粘结层上的过渡层；

负载在过渡层上的切向渐变涂层。

在一些实施例中，所述切向渐变涂层为复合材料，材料配伍沿切向变化，材料配伍由复合比来表征。

在一些实施例中，所述过渡层材料配伍沿法向、切向二维梯度变化；所述二维梯度过渡层为复合材料，其材料配伍由复合比来表征。

在一些实施例中，所述过渡层的复合比沿法向梯度变化，复合比的梯度变化规律采用幂函数法设计。

在一些实施例中，所述过渡层的复合比沿切向梯度变化，与切向渐变涂层的复合比变化规律一致。

本发明还提供了任一上述的涂层在发动机、汽车、航天器、火箭、飞机、电动车或刀具表面防护中的应用。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明提出了一种二维梯度结构过渡层，克服了切向渐变涂层过渡层热应力沿切向的差异，制备的过渡层热应力沿切向一致性好，不产生开裂或剥落，涂层综合服役性能优异。

(2)本申请的涂层结合强度好、具有普适性，易于规模化生产。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是切向渐变涂层结构示意图；

图2是过渡层一维结构示意图；

图3是实施例1的过渡层二维结构示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有过渡层仅考虑复合比沿法向的一维梯度变化，但因切向渐变涂层沿切向非均质，导致热应力沿切向存在差异，诱导横向裂纹的产生，甚至产生开裂与剥落，影响涂层的综合服役性能。针对上述问题，本申请提出了一种二维梯度结构过渡层。

本发明中所述的“复合比”是指复合材料中的改性材料的质量占比，“切向”是指沿涂层表面平行的方向，“法向”是指沿与涂层表面垂直的方向，“功能层”是指主要起满足服役需求作用的涂层部分，“过渡层”是指用于缓和涂层与基体间热物理性能差异的涂层部分，“二维梯度”是指沿涂层切向和法向的梯度。

本发明提供了一种二维梯度结构过渡层，采用下述技术方案：

一种二维梯度结构过渡层，过渡层材料配伍沿法向、切向二维梯度变化。

进一步的，所述切向渐变涂层及二维梯度过渡层均为复合材料，其材料配伍由复合比来表征。

进一步的，切向渐变涂层复合比的切向梯度分布规律由零部件的服役性能需求来确定。

进一步的，过渡层的复合比，沿法向梯度变化，复合比的梯度变化规律可采用幂函数法设计，以缓和功能层与基体间热应力。

进一步的，过渡层的复合比，沿切向梯度变化，与切向渐变涂层的复合比变化规律一致，保证热应力沿切向的一致性。

对于切向渐变涂层，本发明得到的二维梯度结构过渡层，既缓和了涂层与基体间的热应力，还克服了热应力沿切向的差异，涂层综合服役性能优异。

下面结合具体实施例1对本发明作详细说明：

实施例1：

以某型号叶片为例，表面热喷涂Cr₃C₂-NiCr与NiCr复合的切向渐变涂层，技术方案如下：

一种二维梯度结构过渡层，过渡层的材料配伍沿法向、切向二维梯度变化。

所述基体为金属材料FV520B，功能层为Cr₃C₂-NiCr与NiCr复合材料(Cr₃C₂-NiCr粉末主要由Cr₃C₂与NiCr组成，其质量比约为75:25，化学成分见表1；NiCr粉末主要由Ni与Cr组成，其质量比约为20：80，化学成分见表2)，过渡层也为Cr₃C₂-NiCr与NiCr复合材料，材料配伍由复合比来表征。

表1 Cr₃C₂-NiCr粉末化学成分(％)

成分

镍(Ni)

铬(Cr)

铁(Fe)

硅(Si)

锰(Mn)

总碳(C<sub>t</sub>)

质量分数

Bal

19.00-21.00

<1.00

<1.80

<0.20

<0.09

表2 NiCr粉末化学成分(％)

切向渐变涂层复合比的切向梯度分布规律由零部件的服役性能需求来确定，复合比从左至右依次为：0.2、0.4、0.6、0.8。

过渡层的复合比，沿法向梯度变化，分为3个梯度，复合比的梯度变化规律可采用幂函数法设计，当幂函数中的分布指数取1时，过渡层呈线性梯度变化，过渡层各区域的复合比从左至右(以靠近基体最近的过渡层为第1层)依次为：

第3层：0.15、0.3、0.45、0.6

第2层：0.1、0.2、0.3、0.4

第1层：0.05、0.1、0.15、0.2

性能测试：

利用等离子喷涂设备制备上述涂层，采用E-7胶将涂层试块和对偶件粘牢，用万能拉伸试验机开展拉伸试验，测量涂层结合强度，做两次实验取平均值。

结果表明：复合涂层与基体的结合强度的平均值为41.37MPa。

由此可知，采用本实施例的二维梯度结构过渡层，可克服切向渐变涂层过渡层热应力沿切向的差异，制备的过渡层热应力沿切向一致性好，不产生开裂或剥落，涂层综合服役性能优异。

实施例2

本实施例中，过渡层的设置同实施例1，不同之处在于：过渡层和基体之间还设置粘结层，用于增强过渡层与工件基体的粘结强度，粘结层采用现有粘结层用材料即可，在此不进行详细叙述。

最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种二维梯度结构过渡层，其特征在于，过渡层材料配伍沿法向、切向二维梯度变化；所述二维梯度过渡层为复合材料，其材料配伍由复合比来表征。

2.如权利要求1所述的过渡层，其特征在于，所述过渡层的复合比沿法向梯度变化，复合比的梯度变化规律采用幂函数法设计。

3.如权利要求1所述的过渡层，其特征在于，所述过渡层的复合比沿切向梯度变化，与切向渐变涂层的复合比变化规律一致。

4.如权利要求1所述的过渡层，其特征在于，所述过渡层上负载有切向渐变涂层，所述切向渐变涂层材料配伍沿切向变化。

5.一种复合涂层，其特征在于，包括：

基体；

负载在基体上的粘结层；

负载在粘结层上的过渡层；

负载在过渡层上的切向渐变涂层。

6.如权利要求5所述的复合涂层，其特征在于，所述切向渐变涂层为复合材料，材料配伍沿切向变化，材料配伍由复合比来表征。

7.如权利要求5所述的复合涂层，其特征在于，所述过渡层材料配伍沿法向、切向二维梯度变化；所述二维梯度过渡层为复合材料，其材料配伍由复合比来表征。

8.如权利要求5所述的复合涂层，其特征在于，所述过渡层的复合比沿法向梯度变化，复合比的梯度变化规律采用幂函数法设计。

9.如权利要求5所述的复合涂层，其特征在于，所述过渡层的复合比沿切向梯度变化，与切向渐变涂层的复合比变化规律一致。

10.权利要求1-9任一项所述的涂层在发动机、汽车、航天器、火箭、飞机、电动车或刀具表面防护中的应用。