王振龍 ，程 健 ，耿雪松 ，王玉魁

（1.哈爾濱工業(yè)大學微系統(tǒng)與微結(jié)構(gòu)制造教育部重點實驗室，黑龍江哈爾濱150001；2.哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱150001）

為了解決航天飛機推進系統(tǒng)中超音速燃燒沖壓式發(fā)動機的熱防護問題，滿足其在極限熱循環(huán)載荷（超高溫、大溫度落差）下能正常工作的需求，日本科學家在1987年首先提出了梯度化結(jié)合金屬和超耐熱陶瓷的設(shè)計思想[1]。隨后，功能梯度材料（Functionally Graded Materials，F(xiàn)GM）迅速成為材料科學領(lǐng)域的研究熱點[2-3]。美國的NASP計劃、德國的Sanger計劃、英國的HOTOL計劃和俄羅斯的圖-2000計劃都把功能梯度材料及其相關(guān)制備技術(shù)列為重點關(guān)鍵技術(shù)。特別是由于計算機技術(shù)和材料制備技術(shù)的高速發(fā)展，通過計算機輔助設(shè)計和優(yōu)化分析等先進設(shè)計手段，為FGM這種新型材料帶來了新的發(fā)展空間，使FGM的研究熱點逐漸從概念設(shè)計階段過渡到實際制備階段，并取得了相當多的成果[4-6]。目前，日本在功能梯度材料上的研究已從最初的材料制備技術(shù)逐漸轉(zhuǎn)向?qū)π虏牧系男阅軠y試，逐漸實現(xiàn)其實用化的價值[7-8]。

功能梯度材料的材料參數(shù)在空間呈梯度連續(xù)變化，這樣能有效地消除傳統(tǒng)復合材料中存在的材料參數(shù)在界面處的失配問題，從而可提高界面區(qū)域材料強度，復合后能充分發(fā)揮兩種組分材料各自的優(yōu)勢，使其得以在航空航天領(lǐng)域發(fā)揮巨大的應(yīng)用價值[9]，并將其應(yīng)用潛力逐漸擴大到機械工程、核能源、電子、化學、光學、生物醫(yī)學工程、信息工程、民用及建筑等諸多領(lǐng)域，應(yīng)用前景十分廣闊[10-11]。

根據(jù)應(yīng)用場合的不同，功能梯度材料可設(shè)計成金屬-金屬、金屬-陶瓷、陶瓷-陶瓷等多種形式，其中金屬-陶瓷功能梯度材料的研究與需求最為廣泛和迫切，二次加工難度也極大。由于材料本身的新穎性和需求目標的多樣性，目前國內(nèi)外對金屬-陶瓷功能梯度材料的研究主要集中在材料的設(shè)計和制備方面，已得到多種性能優(yōu)異的新材料，而對其加工方法及加工過程控制技術(shù)的研究則鮮有報道。

本文從材料制備、性能評價和實際應(yīng)用等方面來剖析功能梯度材料的發(fā)展現(xiàn)狀，并對金屬-陶瓷功能梯度材料的電火花加工方法進行展望。

1 金屬-陶瓷功能梯度材料制備

金屬-陶瓷功能梯度材料作為一種新型材料，其材料組成和顯微特性在某一特定方向上存在著差異[12]，且不同的材料合成方法會使材料呈現(xiàn)不同的特性。為了探索材料的最優(yōu)特性，學者們針對金屬-陶瓷功能梯度材料的合成方法進行了大量研究。本文僅對幾種典型的制備方法進行概述，包括：離心法、粉末冶金法、電泳沉積法和等離子體法等。

1.1 離心法

20世紀90年代初，日本學者提出了金屬-陶瓷功能梯度材料離心法合成技術(shù)，有助于實現(xiàn)金屬-陶瓷功能梯度材料的批量化制備。該方法是使均勻分散在熔融金屬中的陶瓷顆粒產(chǎn)生離心沉降，同時利用計算機對熔融金屬中的陶瓷顆粒在離心過程中的沉降行為以及制成的梯度材料中陶瓷顆粒的分布進行了模擬，并預測不同氣孔分布的顯微結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)高質(zhì)量金屬-陶瓷梯度功能材料的制備[13]。離心法的優(yōu)點是能制備致密度高、尺寸大的梯度材料，缺點是不能制備高熔點的陶瓷系梯度材料，也不能制備從一種純物質(zhì)相向另一種純物質(zhì)相連續(xù)變化的梯度材料。

離心合成法的關(guān)鍵技術(shù)是設(shè)法精確地控制顆粒增強相的梯度分布。材料合成過程中的工藝參數(shù)，如坩堝爐燃燒溫度、模具加熱溫度和模具旋轉(zhuǎn)速度等，對金屬-陶瓷功能梯度材料的濃度梯度影響顯著。此外，模具高速旋轉(zhuǎn)下的溫度分布和凝固時間的實驗測定也難以實現(xiàn)，因此研究合成材料濃度梯度時往往忽略溫度分布的影響，且認為熔融金屬遵守粘性流體斯托克斯定律?；谏鲜黾僭O(shè)，Watanabe等利用計算機對球狀陶瓷顆粒的梯度分布進行了模擬，結(jié)果顯示陶瓷顆粒與熔融金屬的濃度差、離心力與重力的比值、陶瓷顆粒尺寸和平均體積分數(shù)、熔融金屬粘度、凝固時間等因素對顆粒增強相在基體金屬中的梯度分布影響顯著；同時，通過檢測粘性流體中陶瓷顆粒的運動，提出了混合不同尺寸的陶瓷顆粒以實現(xiàn)合成梯度精確控制的方法[14]。

1.2 粉末冶金法

粉末冶金金屬-陶瓷功能梯度材料制備技術(shù)相對簡單且應(yīng)用廣泛，可精確地控制合成梯度，但由于燒結(jié)過程中各相材料的非均一性收縮，會使合成材料內(nèi)部出現(xiàn)彎曲并最終形成表面裂紋[15]。如圖1所示，對于多層功能梯度材料，這種非均一性收縮現(xiàn)象將會嚴重影響材料的使用性能，甚至使材料報廢。多層材料合成中的燒結(jié)壓力和材料畸變難以控制和預測，這也成為粉末冶金金屬-陶瓷功能梯度材料制備技術(shù)的研究熱點。

圖1 粉末冶金法制備金屬-陶瓷功能梯度材料示意圖

韓國學者研究發(fā)現(xiàn)，多層功能梯度材料的空間收縮與材料成分之間存在著密切的聯(lián)系，基于標準生坯密度和金屬粉末容積率，建立了金屬?陶瓷功能梯度材料一維收縮率數(shù)學模型[16]：

式中：ε為某一特定組分下功能梯度材料的一維收縮率；Pi、Pf分別為生坯和燒結(jié)體的孔隙率。通過預測燒結(jié)過程中樣品的孔隙率，來控制材料的收縮，進而獲得具有均一收縮梯度的無裂紋金屬-陶瓷功能梯度材料。

圖2是利用粉末冶金法制備的兩塊金屬-陶瓷功能梯度材料樣品。其中，圖2a所示樣品由于相鄰層材料之間不同的收縮率導致材料表面出現(xiàn)裂紋；圖2b所示樣品表面無裂紋，且材料內(nèi)部裂紋的數(shù)目也顯著減少，這是由于利用式（1）可預測多層樣品每層中生坯和燒結(jié)體的密度，進而得到樣品的孔隙率，并最終控制功能梯度材料的收縮率，實現(xiàn)無裂紋金屬-陶瓷功能梯度材料的制備。

1.3 電泳沉積法

圖2 粉末冶金法制備的金屬-陶瓷功能梯度材料樣品

懸浮液中的帶電顆粒在外加電場作用下不斷向電場的一端移動，懸浮物在一個電極上聚集形成粘結(jié)的沉積物，并進行硫化、燒結(jié)等后處理得到致密的材料，稱為電泳沉積法。利用電泳沉積法制備功能梯度材料具有效率高、成本低、可產(chǎn)生連續(xù)和階梯狀材料等優(yōu)點，但受限于可沉積的材料與襯底材料的種類；同時，材料合成過程中所用的懸浮液需具有穩(wěn)定的濃度。通過適時調(diào)整合成過程中懸浮液的成分及濃度，可獲得梯度分布較理想的功能梯度材料。

電泳沉積法制備金屬-陶瓷功能梯度材料主要分為電泳動、電沉積和電滲3個過程。電泳沉積加工裝置見圖3。首先，將濃度為100 g/L的納米晶WC-6Co復合粉經(jīng)過沉積室以15 mL/s的速度吸入到循環(huán)系統(tǒng)中；其次，為了保證材料的濃度梯度，丙酮/正丁烷與濃度400 g/L的WC-25Co混合液以1.68 mL/min的速度被添入懸浮液循環(huán)系統(tǒng)中，最終保證了功能梯度材料中鈷濃度的連續(xù)變化，且在整個合成過程中，WC-6Co微粒一直處于懸浮狀態(tài)。

圖3 電泳沉積法制備金屬-陶瓷功能梯度材料裝置示意圖

通過研究發(fā)現(xiàn)有效電荷Q、電泳率μ和膠束間電導率SL等3個參數(shù)決定著電泳沉積的性能，并根據(jù)阿基米德法預測了電泳沉積制備金屬-陶瓷功能梯度材料的生坯密度，再通過復壓使該密度接近理論值，在此基礎(chǔ)上建立了均勻粉末電泳沉積的動力學模型，最終制備了鈷梯度由質(zhì)量分數(shù)4%到17%連續(xù)變化的WC-Co功能梯度材料，相應(yīng)的材料維氏硬度由21 GPa到9 GPa連續(xù)變化[18]。

1.4 等離子體法

等離子法不受基材截面尺寸和形狀的限制，在制備FGM涂層特別是大面積表面FGM涂層中具有顯著優(yōu)勢，常用的金屬-陶瓷功能梯度材料等離子法有等離子直接成形技術(shù)、等離子噴涂技術(shù)等。

等離子直接成形技術(shù)在材料加工制造領(lǐng)域的應(yīng)用已相當廣泛，將等離子直接成形技術(shù)應(yīng)用于金屬-陶瓷功能梯度材料的制備，對功能梯度材料的制備方法是一個有益的嘗試，等離子直接成形技術(shù)制備金屬-陶瓷功能梯度材料的原理見圖4。

華中科技大學的研究人員對等離子直接成形功能梯度材料的工藝進行了研究，同時對粉末的準備方法、多層堆積氧化層的去除等問題進行了分析，分別采用球磨造粒充分混合、對基板裝夾邊堆焊邊銑削等措施進行了解決。此外，還對鐵基高溫合金金屬粉末與氧化鋁陶瓷粉末成形試樣進行了金相檢測，結(jié)果表明制備的金屬-陶瓷功能梯度材料枝晶無明顯長大痕跡且生長方向較一致，不同成分之間的晶粒尺寸過渡自然，無成分突變現(xiàn)象[19]。

圖4 等離子直接成形技術(shù)制備金屬-陶瓷功能梯度材料原理圖

等離子噴涂技術(shù)的基本原理是將粉末顆粒通過等離子焊槍的高溫高速射流，將粉末熔化或熔融之后，吹成較小顆粒，噴至工件表面并形成牢固的涂層或熔覆層；當噴完一層材料后，更換不同的材料在前一層的基礎(chǔ)上繼續(xù)噴涂；如此反復，最終形成材料成分呈現(xiàn)梯度變化的涂層功能梯度材料，其原理見圖5。

圖5 等離子噴涂技術(shù)制備金屬-陶瓷功能梯度材料[20]

采用該方法時須對噴涂壓力、噴射速度及顆粒粒度等參數(shù)進行嚴格控制，功能梯度材料每層的特性取決于等離子射流的溫度分布、粉末停留時間和熔滴速度等。通過調(diào)節(jié)噴槍結(jié)構(gòu)、噴射電流、噴射壓力及對等離子氣體種類和噴射熱等進行控制。等離子體噴涂能預先設(shè)置混合比率，且沉積效率高、易制得大面積的塊材[20]。

2 金屬-陶瓷功能梯度材料的應(yīng)用

功能梯度材料的概念最初主要是作為一種熱應(yīng)力緩和材料提出的，其耐熱性、可靠性和再用性是普通陶瓷基復合材料無法比擬的。隨著功能梯度材料的不斷發(fā)展，這一設(shè)計思想也被推廣到不同的應(yīng)用場合，根據(jù)不同的實際需要對金屬和陶瓷兩種具有不同性質(zhì)的組分進行巧妙組合，設(shè)計出的梯度材料可按其設(shè)計功能的不同而應(yīng)用到各領(lǐng)域中，金屬-陶瓷功能梯度材料在諸多領(lǐng)域都發(fā)揮著巨大的作用（圖 6）。

圖6 金屬-陶瓷功能梯度材料的應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 航空航天領(lǐng)域

航空航天飛行器材料不但要求有較高強度，在很多情況下還要承受高溫循環(huán)載荷，這使材料的內(nèi)部存在一定的溫度梯度，產(chǎn)生的熱應(yīng)力會影響其使用壽命。單一地在金屬表面覆蓋陶瓷層作為阻熱材料，在金屬基體與陶瓷涂層之間存在異相界面，高溫載荷作用下由于兩種材料熱膨脹系數(shù)的不同，會在界面處產(chǎn)生較大熱應(yīng)力，引起涂層的脫落、剝離等破壞性問題。而金屬-陶瓷功能梯度材料能較好地避免層間熱應(yīng)力的產(chǎn)生。

目前金屬-陶瓷功能梯度材料已被成功應(yīng)用于火箭推進器燃燒室的內(nèi)壁上。Gasik等將氧化鋯涂覆于鎳基高溫合金基體表面，結(jié)果表明功能梯度涂層可有效提高熱循環(huán)壽命，且具有更優(yōu)良的耐磨性、耐蝕性，減少或克服了高溫、大溫度落差、高速熱流沖刷和動態(tài)機械負荷下由于結(jié)合部位熱、力學性能不匹配造成的材料破壞[21]。功能梯度材料對航天飛行器向小型化、輕質(zhì)化、高性能化和多功能化等方向發(fā)展起到了舉足輕重的作用。

2.2 生物材料領(lǐng)域

生物材料作為取代生物組織的一類人工材料，已在生物醫(yī)學工程及假體植入術(shù)中發(fā)揮了不可替代的作用，生物材料應(yīng)同時擁有無毒性、抗腐蝕性、耐疲勞性及生物相容性等多種特性。由于功能梯度材料具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，并能融合不同材料各自卓越性質(zhì)的特殊性能，很快就被引入到生物醫(yī)學工程領(lǐng)域。其中，功能梯度材料牙種植體成為了研究熱點[22]。將金屬鈦與生物活性陶瓷，如羥基磷灰石等進行整體梯度設(shè)計，能緩和種植義齒與頜骨結(jié)合界面之間的應(yīng)力集中，并提高生物力學相容性及生物活性，增強種植體的早期穩(wěn)定性與長期結(jié)合性。

牙齒植入體在牙根完全損壞的情況下可幫助人體恢復咀嚼功能，其長度通常小于20 mm。以往在牙齒植入體制造過程中，由于材料的熱膨脹系數(shù)失配會導致其表面或內(nèi)部出現(xiàn)裂紋，并最終影響牙齒植入的治愈時間及齒根的牢固性。如圖7所示，若將金屬-陶瓷功能梯度材料的設(shè)計思想應(yīng)用在生物體植入材料中，便可解決上述問題，有效降低全金屬材料植入體在周圍骨骼處引起的應(yīng)力屏蔽效應(yīng)[23]，同時具有良好的自愈合、修復、再生等特性[24]。此外，將鈦-羥基磷石灰生物功能梯度材料應(yīng)用在人工骨關(guān)節(jié)上，可使假體與骨之間具有很強的結(jié)合力，表現(xiàn)出良好的生物相容性。

圖7 金屬-陶瓷功能梯度材料牙齒植入體及梯度材料成分示意圖[25]

2.3 能源領(lǐng)域

“國際熱核聚變實驗堆計劃”是當今世界科技界為解決人類未來能源問題而開展的重大國際合作計劃。核聚變的裝置需要耐高溫、耐腐蝕和耐沖刷的新材料，這是因為氘氚聚變反應(yīng)產(chǎn)生大量的高能粒子和電磁輻射，使高達1 MW/m2的熱負荷和高交變熱應(yīng)力強烈地作用于裝置的內(nèi)壁，因此直接面向高溫等離子體的第一壁材料首當其沖地成為了研究熱點；此外，等離子體出口處的熱流密度更高、工作環(huán)境更復雜，對材料性能的要求也更嚴格。

梯度耐輻射材料在核聚變反應(yīng)器中的應(yīng)用表現(xiàn)出良好的熱應(yīng)力松馳效應(yīng)，因此功能梯度材料以其優(yōu)異的性能成為了熱核聚變實驗堆設(shè)計與制造的潛在候選材料。將金屬-陶瓷功能梯度材料用于核聚變反應(yīng)堆，可有效消除熱傳遞和熱膨脹引起的應(yīng)力。曹文斌等將金屬-陶瓷功能梯度材料用于核反應(yīng)堆第一壁結(jié)構(gòu)支撐部件，有效地消除了熱傳遞和熱膨脹引起的應(yīng)變[26]；此外，Yadroitsev等利用金屬-陶瓷功能梯度材料設(shè)計了不同類型的核聚變系統(tǒng)冷卻室和偏濾器，有效降低了大溫度落差對裝置的破壞，同時利用激光直接成形技術(shù)制造了大量的ITER系統(tǒng)部件[27]，進一步提高了金屬-陶瓷功能梯度材料的性能，將有望在示范聚變堆、甚至在未來的商用聚變堆中發(fā)揮巨大的作用；對耐高溫陶瓷和金屬、合金結(jié)合與焊接這一世界性難題也將取得重大突破。

2.4 其他領(lǐng)域

隨著探測設(shè)備作用距離和定向精度的迅速提高，隱身飛機、潛艇的隱蔽性受到了前所未有的挑戰(zhàn)，使電磁波吸收、消聲覆蓋等具有隱身功效的涂層在軍工產(chǎn)品設(shè)計中的重要性日益突出。梯度結(jié)構(gòu)吸波材料具有很好的吸波及消聲效果，在武器系統(tǒng)中得到了大量應(yīng)用，因此研制多層功能梯度結(jié)構(gòu)材料將成為提高隱身效果的可行途徑[28]。

在金屬切削加工中，刀具同時承受著很大的力載荷和很高的溫度載荷，尤其是斷續(xù)切削條件下承受的循環(huán)載荷和熱震沖擊更大，各種新興難加工材料又對特種刀具材料的性能提出了很高的要求。研究發(fā)現(xiàn)刀具涂層技術(shù)可有效改善刀具性能，目前已成功地將Al原子植入TiN晶格間，形成TiAlN涂層，與單一的TiN涂層相比，不但提高了刀具抗氧化溫度，還提高了涂層的硬度和耐磨性；此外，采用化學氣相沉積（CVD）工藝，在刀具基體上沉積濃度逐漸變化的TiCN功能梯度涂層，能較好地解決結(jié)合力的問題，進而提高涂層刀具的使用壽命[29-30]。Garcia等利用CVD技術(shù)在刀具表面涂覆TiN-HTTi(C,N)-κ-Al2O3-TiN，有效地解決了斷續(xù)切削過程中刀具側(cè)面和尖端損耗嚴重的問題[31]。

3 金屬-陶瓷功能梯度材料電火花加工展望

金屬-陶瓷功能梯度材料歷經(jīng)20余年的發(fā)展，其功能概念設(shè)計、制備工藝方法及針對不同應(yīng)用領(lǐng)域的材料性能評價等方面都取得了豐盛的研究成果。然而另一方面，由于金屬?陶瓷功能梯度材料的新穎性和性能多樣性，目前對其二次加工方法的研究還鮮有報道。金屬-陶瓷功能梯度材料在組成本質(zhì)上是一種由金屬相和陶瓷相組成的復合材料，目前針對單一功能陶瓷材料加工技術(shù)的研究已成為機械加工領(lǐng)域的研究熱點，呈方興未艾之勢。

3.1 陶瓷材料加工技術(shù)

眾所周知，陶瓷材料具有高脆性、低斷裂韌性及材料彈性極限與強度非常接近等特點，其加工難度很大，加工方法稍有不當便會破壞共建表面層組織，很難實現(xiàn)高精度、高效率、高可靠性的加工，從而限制了陶瓷材料應(yīng)用范圍的進一步拓展。因此，學者們開展了對陶瓷材料加工技術(shù)的研究，其中主要以金剛石砂輪磨削、超聲輔助磨削、金剛石切削、激光加工和電火花加工為主[32]。南京航空航天大學的研究人員開展了Al2O3陶瓷蠕動進給超聲磨削方面的研究，分析了電鍍金剛石砂輪磨削后的材料表面形貌和磨削效率[33]；針對工程陶瓷材料的精密磨削分別研制了鑲塊式釬焊金剛石砂輪和新型單層釬焊金剛石砂輪，并對工程陶瓷進行精密磨削試驗研究，取得了良好的加工效果，從而拓寬了陶瓷加工工具的范圍[34-35]。佟富強針對TN85金屬陶瓷材料進行了超精密磨削技術(shù)的研究，探索了金屬陶瓷超精密磨削去除機理，提出了無專用修正電極ELID磨削技術(shù)，并在小球面偶件的超精密磨削中得到了應(yīng)用[36]。閆艷燕從微觀角度系統(tǒng)地研究了二維超聲振動激勵對ZTA納米復相陶瓷加工特性的影響規(guī)律，分析其磨削機理和表面質(zhì)量，揭示了ZTA納米復相陶瓷在二維磨削中所表現(xiàn)出的高效精密加工特性，為納米復相陶瓷的二維高效精密磨削加工方法奠定了基礎(chǔ)[37]。山榮成根據(jù)工程陶瓷磨削過程中受力情況的分析和彈性壓痕理論，建立了陶瓷磨削加工速度的理論模型，并進行了實驗驗證，為在工程陶瓷磨削過程中合理選擇磨削工藝參數(shù)提供了理論依據(jù)[38]。還有許多研究人員相繼開展了陶瓷加工技術(shù)的研究工作，極大地促進了工程陶瓷材料的研究與應(yīng)用發(fā)展。由于功能陶瓷材料具有抗剪切應(yīng)力很高、抗拉伸應(yīng)力極低、彈性模量和脆性大等特性，使其機械加工的成本較高、效率較低、加工質(zhì)量還不十分理想，尤其是復雜三維結(jié)構(gòu)的加工難度將更大。因此，探索陶瓷材料的特種加工或復合加工方法成為一種必然趨勢。

針對絕緣陶瓷材料的電火花加工，國內(nèi)外學者借助于輔助電極開展了輔助電極電火花加工及輔助電極電解電火花加工等方法的研究。為了提高陶瓷材料的加工質(zhì)量，國外學者開展了絕緣陶瓷材料的輔助電極電解電火花加工方法的研究[39]。該方法利用電解液作為電火花加工輔助電極的電火花，但由于電解液的雜散腐蝕導致加工精度較差、效率較低，且嚴重污染環(huán)境。

如圖8所示，絕緣陶瓷材料輔助電極電火花加工是20世紀90年代由日本學者提出的[40]。該方法是利用工具電極與輔助導電電極之間的電火花放電，在工作液中產(chǎn)生熱分解出來的碳和工具電極、輔助電極濺射出來的金屬及其化合物附著在絕緣陶瓷加工表面形成導電膜，使待加工的絕緣陶瓷加工表面具有導電性，來實現(xiàn)對絕緣陶瓷的電火花放電加工。它是一種由金屬輔助電極誘導不導電的陶瓷材料進行放電的非接觸式加工方法，加工過程中無機械切削力產(chǎn)生；且電火花加工脈沖放電持續(xù)的時間較短，放電時產(chǎn)生的熱量傳導擴散范圍小，材料被加工表面受熱影響的范圍小。

圖8 絕緣陶瓷材料輔助電極法電火花加工示意圖

目前，國內(nèi)學者針對單一陶瓷材料的電火花加工技術(shù)進行了深入的研究，并取得了一些成果[41-43]；且該技術(shù)仍屬于特種加工領(lǐng)域的前沿性課題，其加工質(zhì)量和效率的提高面臨著較大瓶頸。其中，金屬輔助電極與絕緣陶瓷的有效結(jié)合、放電過程的合理誘導及其連續(xù)性保障成為不可回避的癥結(jié)問題。而對金屬-陶瓷功能梯度材料實施電火花加工時，恰好能將其單一金屬相一側(cè)作為材料電火花加工的輔助電極，而向陶瓷相一側(cè)進行電火花加工；對于不含單一金屬相的功能梯度材料，也可利用材料梯度過渡層中的金屬基相作為復合材料加工的輔助電極自誘導源。金屬-陶瓷功能梯度材料電火花加工方法既結(jié)合了輔助電極電火花加工絕緣陶瓷的理念，又巧妙地融入了材料本身的結(jié)構(gòu)特性，能有效避免類似在絕緣陶瓷材料電火花加工中輔助電極材料與絕緣陶瓷有效結(jié)合的問題，這正是由金屬-陶瓷功能梯度材料本身的材料屬性所決定的。

3.2 金屬-陶瓷功能梯度材料自誘導電火花加工

金屬-陶瓷功能梯度材料自誘導電火花加工方法是利用功能梯度材料本身的單一金屬相或金屬基作為陶瓷加工的輔助電極源，以梯度材料不同加工階段放電狀態(tài)的變化作為激發(fā)源進行實時反饋控制，從而將材料本身的性能與先進電火花加工方法進行有機結(jié)合，實現(xiàn)金屬-陶瓷功能梯度材料的二次加工，其加工原理見圖9。

圖9 金屬-陶瓷功能梯度材料自誘導電火花加工示意圖

金屬-陶瓷功能梯度材料自誘導電火花加工技術(shù)研究是一項具有創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性的研究工作，無論對于功能梯度材料的進一步應(yīng)用還是電火花加工技術(shù)的發(fā)展都是一項巨大的突破。利用電火花加工技術(shù)對功能梯度材料進行二次加工，具有設(shè)備簡單和能量易控制等特點，具有廣泛的應(yīng)用前景。為實現(xiàn)金屬-陶瓷功能梯度材料高效、穩(wěn)定的電火花加工，必須在進一步加強電火花加工技術(shù)理論研究的同時，有機地結(jié)合金屬-陶瓷功能梯度材料自身的性質(zhì)特點，才能不斷改進現(xiàn)有加工工藝，創(chuàng)造出新的工藝方法，并將其應(yīng)用于新材料的加工中。

首先，電火花加工微觀過程非常復雜，且金屬-陶瓷功能梯度材料由物理性質(zhì)各異的材料組成，相比于單一均勻材料的電火花加工，梯度材料電火花加工過程將更復雜。為充分利用金屬-陶瓷功能梯度材料本身的特性，不借助于輔助電極，實現(xiàn)梯度材料的自誘導電火花加工，需明確金屬-陶瓷功能梯度材料自誘導電火花加工的材料去除機制，從理論上研究材料的可加工性。

其次，電火花加工雖然屬于非接觸式加工技術(shù)，但它是利用電熱效應(yīng)實現(xiàn)金屬材料的去除，同時金屬-陶瓷功能梯度材料的非均勻組分及各組分不同的物理、機械特性決定了其電火花加工表面必然存在著殘余應(yīng)力。因此，為保證功能梯度材料電火花加工尺寸的一致性，需研究以殘余應(yīng)力為主的電火花加工表層特性。

此外，電火花加工中如何實現(xiàn)高深徑比小孔的加工，一直是國內(nèi)外研究人員所關(guān)注的重點，特別是對于金屬-陶瓷功能梯度材料而言，隨著加工深度的增加，放電狀態(tài)將更加不穩(wěn)定；同時，由于電火花加工對絕緣性陶瓷材料無能為力，過深的小孔加工不可避免地會出現(xiàn)連續(xù)誘導放電的問題，如何提高功能梯度材料電火花深小孔加工的深徑比將是一項極具挑戰(zhàn)性的關(guān)鍵技術(shù)。

金屬-陶瓷功能梯度材料自誘導電火花加工技術(shù)充分發(fā)揮了金屬層與陶瓷層結(jié)合緊密、且材料金屬基可作為陶瓷材料加工誘導源等材料本身所具備的特性，克服了由于金屬-陶瓷功能梯度材料沿著某一方向其物理、化學、力學等單一或復合性能發(fā)生連續(xù)梯度變化，導致其加工性能改變，而使依賴于刀具強度、硬度等傳統(tǒng)加工方法對其難以加工的缺點。由于在材料本身制備過程中實現(xiàn)了材料金屬基與陶瓷基的致密結(jié)合，使金屬-陶瓷功能梯度材料放電加工過程穩(wěn)定，且連續(xù)性得到保障，加工效率得到提高。采用自誘導輔助電極完成絕緣陶瓷材料的放電加工，加工能量適當，保證了工件表面的加工質(zhì)量和加工精度。

4 結(jié)論

目前，金屬-陶瓷功能梯度材料還處于設(shè)計、開發(fā)和制備階段，由于材料結(jié)構(gòu)特性使其具有金屬和陶瓷雙重物理、機械特性。使用常規(guī)方法加工時，其加工難度相比單一陶瓷材料加工將更大，加工過程更復雜、更難控制。本文展望的金屬-陶瓷功能梯度材料自誘導電火花加工方法，將材料本身的性質(zhì)與電火花加工的特點相結(jié)合，充分利用材料本身性能的梯度變化和電火花加工自適應(yīng)控制的特點，為金屬-陶瓷功能梯度材料的再加工提供新思路。因此，針對金屬-陶瓷功能梯度材料展開電火花加工新技術(shù)的研究是一項具有創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性的研究工作，不但能豐富電火花加工的內(nèi)涵，對于提升我國先進復合材料的加工和應(yīng)用水平也具有重大意義。

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