作者：郑晓敏
由于航空发动机气缸活塞、舰艇传动齿轮等摩擦构件易发生磨损，其安全可靠性降低，因此通过制备硬质颗粒增强复合涂层，将增强颗粒的高强度、高硬度和金属基体强韧性结合起来，达到强化零部件表面的目的。复合涂层材料体系中，硬质颗粒、基体及两者间界面对材料组织性能影响显著。本文叙述了硬质颗粒增强复合涂层强化机制，综述了复合涂层组织性能研究进展，展望了其发展趋势。
1增强颗粒特性的影响
增强颗粒特性包括颗粒种类、含量、尺寸、形状、分布状态等，这些将直接影响复合涂层的增强效果。具体表现在：①不同种类增强颗粒的物化性质、力学性能等存在差别，应结合实际工况与增强颗粒的特性选择颗粒种类；②增强颗粒含量通常存在最佳范围，含量较低时难以起到耐磨强化作用；但含量过高反而会导致脆性断裂脱落；③颗粒尺寸是影响增强效果的重要因素，尺寸较小时，增强颗粒能起到良好的强化作用，但小颗粒的表面能高，易发生团聚；而颗粒过大则会削弱结合界面，降低综合性能；④不同颗粒形状将引起应力大小和分布差异，平滑增强颗粒受载时应力分布均匀，而含尖角的增强颗粒易产生尖端应力集中，导致萌生裂纹；⑤增强颗粒分布状态决定其能否阻碍摩擦变形，均匀分布的陶瓷颗粒可改善局部力学性能，起到耐磨强化作用。
2基体微观组织与性能的影响
2.1 细晶强化
加入增强颗粒既能抑制基体晶粒生长，还能作为异质形核核心提高形核率，减小晶粒尺寸。基体晶粒细化会增加晶界长度，阻碍位错运动，晶粒越细，强化作用越明显，可由Hall-Petch公式表示如下：
可见，Orowan强化机制主要受颗粒大小及颗粒间距的影响，对于颗粒粒径较大或间距过大的复合材料可以忽略。
2.3 热错配强化
增强颗粒的热膨胀系数通常小于基体，两者在温度变化过程中的热变形程度不同，将产生热失配应力，增大颗粒周围基体中的位错密度而引起的屈服强度增量可表示为：
其中：Vp为增强颗粒体积分数；是，为常数；Aa为热膨胀系数差；AT为温差。
可见，在配方设计中应考虑增强颗粒与基体的热物性差异，合理设计复合涂层配方。
3增强颗粒／基体界面特性的影响
3.1 界面组织与性能
增强颗粒／基体界面的微观组织和物相组成影响两者间的结合强度、界面硬度和弹性模量等性能。研究发现：SiC颗粒/Al基体间存在两种界面：一种是厚度为3 nm的晶态Si界面层，在其附近生成细小Al4C3相；另一种是厚度为5 nm的非晶Si()2界面层，阻碍Al4C3脆性相的生成，改善界面润湿性。Zhang等研究表明：WC／Fe复合涂层中WC颗粒边缘发生局部溶解，形成厚为0. 15 mm～0.3 mm含Fe3 W3C、M23G等碳化物的冶金扩散层，有利于改善结合强度。Gu等用激光烧结技术制备的Ni颗粒增强Cu基复合材料以Ni颗粒为形核核心，其与Cu基体在界面处形成CuNi固溶体层，两者间形成连续的结合界面；复合材料断口呈明显的韧性断裂特征，Ni增强相的纳米硬度为1. 82 GPa，高于Cu基体(0. 99 GPa～1. 35 GPa)，强化效果显著。
3.2 界面相形成机理与生长规律
界面相是增强颗粒与基体通过化学反应和元素扩散形成的，其形成过程可分为4个阶段：溶解与扩散阶段、金属间化合物形核阶段、金属间化合物生长阶段、固相扩散阶段。
蒋淑英等研究了Al-Ti扩散偶界面扩散层的形成规律与机理，在800℃条件下，随着扩散时间的增大，其扩散层厚度先呈直线上升趋势，然后变为抛物线上升，且扩散层厚度的增加速率逐渐降低；扩散层为TiAl3相和含少量Ti的Al固溶体混合组织。研究发现：TiC-TiB2／Al复合材料中的TiC、TiB2与Al界面间均存在富Ti区，而铝液中Si、Mg、Cu等元素均能与颗粒表面的Ti原子反应，导致TiC界面无法形成富Ti过渡区而产生组织粗化。
3.3界面微观应力数值模拟
张鹏等建立了基于微观组织的SiC颗粒与铝合金基体间界面模型，分析了界面层厚度对复合材料性能的影响。随着界面层厚度的增加，复合材料性能变化不明显；而在强界面条件下，SiC颗粒承受的应力增大，流变应力随着界面层厚度的增加而增大。姚战军等建立了椭圆形颗粒增强镍基合金复合材料的应力场模型，模拟结果显示受载时的最大应力出现在颗粒中，而基体中的最大应力位于其与颗粒上部的结合界面区，在与拉伸方向垂直的颗粒短轴附近应力最小．颗粒间的应力相对基体中其他区域较大。
3.4界面特性对复合材料性能的影响
Wang等先利用CVD方法在Al2 03颗粒表面镀Ni和TiN涂层，再用含镀层颗粒制备Al2 03/耐热钢复合材料，研究了镀层对颗粒与基体间界面粘结强度和抗氧化性的影响。结果表明：含Ni和TiN镀层的颗粒与基体间界面粘结强度分别达到4. 05 MPa和1. 80 MPa，分别为无镀层时的5.79倍和2.57倍。由于Ni与Fe间的扩散溶解明显，含Ni镀层的复合材料界面抗氧化性能强于TiN镀层。Vianko[s]等采用热浸镀法在Ag基体表面制备了Sn涂层，发现Sn元素含量控制界面处Ag的熔解厚度对界面层厚度产生较大影响。
李烨飞等以WC-TiC-Co硬质合金作为增强颗粒，采用负压铸渗工艺制备了颗粒增强复合材料，在增强颗粒与基体金属界面处出现了WC、W2C等溶解相和Fe3 W3C、C03 W3C等化合物，形成了冶金结合，降低了增强颗粒与基体间硬度、强度等性能变化梯度，使复合材料的耐磨性较基体材料提高了3.5倍。对激光熔覆复合涂层中WC增强颗粒与Fe基体间的界面研究表明：WC颗粒边缘发生部分溶解，并出现圆化现象，其与Fe基体间形成6.6um的界面反应层，改善了两者间的热物性和力学性能差异，其耐磨性较基体提高了18倍。
4 总结与展望
随着科学技术的进步和机械装备工况条件的不断提高，对颗粒复合涂层材料的需求升高，增强颗粒增强复合涂层材料以其优异的力学和摩擦学性能，必将在机械装备的表面强化领域获得广泛应用。
5摘要：从增强颗粒特性、基体材料组织性能、增强颗粒／基体界面特性3个方面叙述了颗粒增强复合涂层强化机制，综述了颗粒增强复合涂层组织和性能研究进展，展望了其发展趋势。
