文档介绍：Ni/ZrO2 功能梯度涂层的制备研究

(理学院材料科学与工程系材料科学与工程专业黄琼霖)
(学号:1999143204)

内容提要:本工作采用复合镀和电泳沉积工艺在 Fe-Cr-Al 高温合金基片上制备了 Ni/
ZrO2 功能梯度涂层,探索复合镀液及电泳悬浮液中陶瓷的含量、沉积工艺参数对涂层中陶
瓷含量的影响,在富金属部分采用复合电镀工艺和在富陶瓷部分采用电泳沉积工艺,成功制
备了沿金属基底方向上陶瓷含量由 0~43vol.%及 %~100vol.%过渡的 Ni/ ZrO2 功能
梯度涂层,通过光学及扫描电子显微镜对镀层的表面和横截面的显微组织进行了观测, 测
定了不同工艺条件下镀层的显微硬度。
关键词:功能梯度材料复合电镀电泳沉积
教师点评:金属-陶瓷功能梯度涂层兼备陶瓷的耐磨、耐腐蚀、耐高温及金属的高强度
等特点,可在恶劣的环境下使用。该论文采用复合镀和电泳沉积技术在 Fe-Cr-Al 高温合金
基片上制备了 Ni-ZrO2 功能梯度涂层。测定了复合镀液及电泳悬浮液中陶瓷的含量、沉积工
艺参数对镀(涂)层成分、硬度的影响;观察了镀(涂)层的显微组织,取得了阶段性成果。
实验采用的方法简单、可行,结果可靠。(点评教师:李均钦教授)
第一章绪论
1. 1 引言
随着航空航天、船舶等对内燃机的强载度的要求不断提高,内燃机可靠性问题日益突出,
特别是内燃机燃烧室部件(气缸盖、活塞、气缸套、气门等)的热负荷可靠性问题更为严重。
由于陶瓷耐高温,可用来分担热负荷;金属韧性好,可用来分担机械负荷,这样,学者们就
试图设计一种由陶瓷和金属组成的复合结构的材料,用来满足燃烧室部件同时承受热负荷和
机械负荷的要求。对于金属燃烧室壁面上的陶瓷热障涂层(TBC, thermal barrier coating),由
于两者热膨胀系数相差较大,造成较大的热应力而容易引起涂层脱落【1】。八十年代末九十
年代初诞生了一种新型复合材料——功能梯度材料(Functionally Gradient Material,(简称
FGM),这种材料能很好地解决两种性质不同的材料简单地复合在一起出现的问题。“功能梯
度材料”这个概念最先是由日本材料科学家新野正之等受贝壳结构的启发,于 1987 年提出
的,他是一种成分、组织、结构、密度和功能特性在宏观上不均匀,但又是逐渐变化的新型
材料【2】。由于材料的宏观特性是不均匀的,所以同一材料两面的性质可以完全不同(如一
面是热或电的良好导体,而另一面却是热和电的绝缘体等),可以有不同的物理性能和化学
性能;同时,宏观特性的变化又是逐渐过渡的,不产生或几乎不产生内应力,整体上有良好
的力学性能【3】。图 1 是(a)合金材料、(b)复合材料和(c)梯度材料的概念图。

1
功能梯度材料的出现引起世界各国材料科学工作者的浓厚兴趣,一致认为它是一种极富
应用潜力的材料。梯度功能材料的研究最早起始于日本,受到日本政府的高度重视,是日本
科学技术厅资助项目。美国国家宇航局和原西德航空研究所等也积极从事梯度功能材料的开
发。我国材料科学工作者对 FGM 材料的研制也十分关注,中南工业大学、武汉工业大学、
重庆大学及天津大学等都相继开展了这方面的研究工作,哈尔滨工业大学材料科学与工程学
院还将其作为学科的发展前沿【4】。目前大多学者都是集中在对金属/陶瓷功能梯度材料的
研究上。金属表面陶瓷涂层依其功能可分为耐热涂层(热障涂层)、耐磨涂层、耐蚀涂层、
生物功能涂层及其它特殊功能涂层等【5】。
1. 2 梯度功能材料的应用前景
(1)空航天用梯度功能材料 Ni/ ZrO2
航空航天飞行器的热防护材料要求重量轻、耐高温、足够的强度。采用梯度功能材料可
以使防热和结构一体化,既耐高温、防热,又兼有承载能力,把原来的两种特性合二为一。
热防护材料的开发目标是使 FGM 表面耐 1727°C的高温,沿着 FGM 厚度方向温差可达 727
°C。采用 Ni/ ZrO2 梯度功能镀层,由于镀层从内到外隔热粒子 ZrO2 含量逐渐增加,镀层
的热导率符合二相分散系热传导率复合法则,从里到外热传导率逐渐降低,耐热性能逐渐提
高,两者均呈梯度变化,从而消除了界面上物理、机械性能的突变,消除了龟裂和脱落等问
题。很好地解决了火箭燃烧室壁由于超高温气体的高速冲刷而带来的破坏。另外,由于采用
复合镀制备 FGM,可使火箭燃烧室轻量化和小型化,加之易于控制工艺条件,这样可以得
到控制很好的梯度镀层。
(2)提高硬度、耐磨和切割性能
在采矿和矿业处理工业中,许多机械零部件需要采用碳化物和硼化物等耐磨颗粒