昆明理工宋鹏团队：非晶-陶瓷复合涂层力学性能获进展

来源：材料科学与工程

关键零部件表面防护是有效提高材料使用寿命的措施。热喷涂陶瓷涂层具有许多优异的性能（如：高硬度、低热导、耐腐蚀等），在金属表面制备陶瓷涂层可以高效的提高关键零部件性能。而陶瓷涂层与粘结层材料热性能不匹配，导致粘结层-陶瓷层界面失效已经成为其应用的瓶颈，对热喷涂粘结层与陶瓷层新型界面进行结构调控和合适的材料匹配选择是延迟涂层寿命的关键。

非晶材料具有耐腐蚀的内在禀性、良好的耐磨性和高强度的力学性能，实现了耐蚀和耐磨于一体。非晶-陶瓷高性能复合涂层材料，非晶粘结层具有优异力学性能和高温诱导易于晶化的特性，具有非常重要的学术价值和实用意义。但非晶材料塑性较差和制备尺寸受限，极大的限制了其使用范围。

2019年，昆明理工大学材料科学与工程学院宋鹏教授（通讯作者），研究生李乔磊（第一作者）在Ceramics International上连续发表两篇非晶-陶瓷复合涂层的最新研究成果。

利用大气等离子喷涂的连续梯度过渡技术成功制备了非晶-陶瓷连续梯度过渡复合涂层。该连续梯度过渡涂层包括非晶层、梯度过渡区和陶瓷层，在不同区域表现出不同的断裂行为，在过渡区中的非晶片层出现拉出和桥接现象，有效的提升了涂层的断裂韧性和抗裂纹扩展能力。证明了非晶作为粘合层是提高陶瓷复合涂层断裂韧性的有效材料，这可以作为改善陶瓷复合涂层机械性能的可行新选择。相关的研究结果发表在Ceramics International, 2019, 45:5566-5576。

图1 非晶-陶瓷连续梯度过渡涂层的元素分布EPMA检测结果。

图2 非晶-陶瓷连续梯度过渡涂层断口SEM检测结果。

利用非晶材料高温易于晶化的特性寻找到原位制备具有纳米粘结层-陶瓷顶层结构的新材料体系。该涂层材料体系中仍然保留了部分的非晶成分（如图3所示），部分晶化形成的纳米颗粒，提高了非晶涂层的韧性。该复合涂层不仅具有高杨氏模量值，而且还提高了涂层体系的韧性。证明了使用热处理诱导非晶粘结层原位制备纳米-陶瓷复合涂层材料是热喷涂领域中可行的技术方案。

图3 热诱导前后非晶粘结层XRD分析结果。

图4 热诱导前后复合涂层界面的EBSD分析结果。

此外，利用三点弯曲测试技术提出单位力学贡献率的计算方法，以此评价涂层的力学性能，降低了基体力学性能对涂层力学性能评价的干扰。相关的研究结果发表在Ceramics International, 2019, 45(15): 18803-18813。

图5 三点弯曲测试复合涂层力学性能的结果。

上述研究工作获得云南省重点研究发展计划（2018BA067）、国家自然科学基金(51401097, 51961019)、云南省科技重大专项（2018ZE009）等的资助。热喷涂非晶-陶瓷涂层对失效机械零部件进行再制造是一种有效的增材再制造材料，热喷涂连续过渡涂层技术为超厚涂层的再制造奠定了技术基础，贯彻了高效、节能、环保的“绿色”理念。