孫博洋， 劉明輝， 張士陶， 潘正陽， 蔣春霞， 李文戈， 劉彥伯， 趙遠(yuǎn)濤

(1.上海海事大學(xué)商船學(xué)院， 上海 201306； 2.上海市松江區(qū)綠化和市容管理局， 上海 201699；3.上海電機學(xué)院材料學(xué)院， 上海 201306； 4.上海市納米科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進中心， 上海 200237)

0 前 言

腐蝕、疲勞、磨損是現(xiàn)代工業(yè)和國防科技領(lǐng)域常見的失效形式，隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，一些工業(yè)領(lǐng)域使用的材料對于耐磨性和耐腐蝕性有更高的要求。 為了改善材料表面的耐磨性及耐蝕性，在工件表面制備涂層是最有效、最經(jīng)濟的方法之一[1，2]。 但是傳統(tǒng)涂層具有結(jié)合力差，受外力易磨損、脫落等問題[3]，例如單一成分的涂層，可能會因為與基體膨脹系數(shù)差異較大而出現(xiàn)結(jié)合強度低的問題。 單一尺度的涂層可能會出現(xiàn)耐磨性和耐腐蝕性較差的情況。 因此，開發(fā)具有良好的耐磨性和耐蝕性、抗脆性斷裂、耐高溫和耐氧化、與基體結(jié)合強度高等性能的新型涂層對于工業(yè)發(fā)展有重大意義[4－6]。

自然界中有很多生物體經(jīng)過億萬年的演化和進化，優(yōu)化出許多具有優(yōu)異性能的生物體形態(tài)、材料和結(jié)構(gòu)，如層狀、非光滑、多尺度、梯度結(jié)構(gòu)，賦予了生物強韌性、抗疲勞性、耐磨性、減阻性等特性。 借助這些特殊的生物表層結(jié)構(gòu)通過現(xiàn)代仿生加工方法可設(shè)計出性能優(yōu)異的仿生涂層，其中制備工藝的選擇對于獲得高質(zhì)量的涂層至關(guān)重要[6]。 近年來，隨著激光器的開發(fā)和應(yīng)用，高能束熔覆技術(shù)可以靈活改變?nèi)刍逊e材料的化學(xué)成分和顯微組織，可制備無氣孔、無裂紋、無溶解、組織均勻致密的涂層，涂層質(zhì)量穩(wěn)定性高、工程應(yīng)用可靠性強[7]，可模擬制造自然界中的仿生結(jié)構(gòu)等，因此是開發(fā)仿生涂層的最佳選擇。

有許多研究者對高能束熔覆技術(shù)制備非光滑表面仿生耦合結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、多尺度結(jié)構(gòu)、梯度結(jié)構(gòu)仿生涂層進行了研究，并分析了仿生涂層的強化機理和涂層質(zhì)量調(diào)控方法，但目前針對高能束制備仿生涂層研究現(xiàn)狀的相關(guān)綜述文章較少，因此，本文根據(jù)高能束技術(shù)特點，從仿生涂層制備及質(zhì)量調(diào)控等方面概述了高能束制備仿生涂層的研究現(xiàn)狀，總結(jié)了目前仿生涂層制備存在的問題，并提出了展望。

1 高能束技術(shù)制備仿生涂層

高能束熔覆仿生涂層是在基體表面采用高能束(激光、等離子束、電子束等)加工具有仿生形貌的表面。 高能束由于具備局部加工和工藝可控等優(yōu)點，可靈活地加工出仿生表面。 按加工方式主要分為激光熔覆、等離子熔覆和電子束加工3 大類。 激光熔覆作為制備仿生涂層的理想方法之一，具有能量密度高、稀釋率低、熱變形較小、厚度可控、涂層與基體之間冶金結(jié)合好等優(yōu)點[8－11]，可用于制備具有高硬度、優(yōu)異的耐磨性和耐腐蝕性的涂層[12，13]。 相較于激光熔覆，等離子熔覆技術(shù)具有可選涂層材料范圍廣、工藝靈活、工作環(huán)境要求低、成本低、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點[14－17]。 電子束加工的加熱和冷卻速度快，工件經(jīng)電子束表面處理后的變形小，幾乎不影響表面，可大大減少精加工的研磨量，與激光表面處理相比，工藝成本低、能量利用率高。本章根據(jù)不同仿生機制分類，綜述了仿生涂層的強化機制以及利用高能束制備涂層的研究現(xiàn)狀。

1.1 高能束制備層狀仿生涂層

大自然通過形成復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)開發(fā)出卓越的材料，優(yōu)化了硬質(zhì)的礦物層和軟的有機層的力學(xué)性能，自然界中的層狀結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 貝殼珍珠層的結(jié)構(gòu)是典型的層狀結(jié)構(gòu)。 珍珠層的斷裂韌性比其成分的斷裂韌性高3 個數(shù)量級(按能量計算)[18，19]。 珍珠層內(nèi)部形成了一種獨特的磚-泥結(jié)構(gòu)。 這種結(jié)構(gòu)使其表現(xiàn)出很高的剛度和強度。 當(dāng)珍珠層發(fā)生斷裂時，水泥有機物對裂紋的擴張起到了偏轉(zhuǎn)及抑制的作用，文石層提供了較高的硬度，從而能夠在保證貝殼硬度的同時抑制裂紋的擴展[20－22]。

圖1 自然界中的層狀結(jié)構(gòu)[23]Fig.1 The layered structure in nature[23]

Xiao 等[24]利用激光粉末床熔合(LPBF)工藝，根據(jù)貝殼珍珠層的仿生機制，采用原位合成的方法制備了Ti6Al4V 合金和Ti 基夾層結(jié)構(gòu)的復(fù)合涂層，對涂層的微觀組織形貌、相變、原位合成的過程和力學(xué)性能增韌機理進行了研究。 結(jié)果顯示，Ti 基夾層復(fù)合涂層具有交變剛度和良好的強度及韌性，這歸因于涂層軟硬相間層狀的仿生結(jié)構(gòu)和TiN 陶瓷顆粒的界面釘扎效應(yīng)。 王鵬翔[25]使用等離子弧增材工藝制造了高強鋼-高氮鋼仿生疊合交織的軟硬相間的結(jié)構(gòu)，層道交織結(jié)構(gòu)將高氮鋼優(yōu)良的延韌性與高強鋼良好的抗拉強度同時兼顧，使2 種材料優(yōu)勢互補達(dá)到了增強增韌的目的。 馮偉龍[20]模仿珍珠層的結(jié)構(gòu)，選擇超聲輔助、添加Y2O3稀土的手段，使用激光熔覆工藝得到了軟硬疊加的鈷基合金熔覆層，制備了仿生耦合試樣，對熔覆層進行了抗熱疲勞實驗以及耐磨性實驗。 結(jié)果顯示，仿生試樣相比于基材，有較高的抗熱疲勞性，耐磨性遠(yuǎn)高于基材。 Huang 等[26]基于仿生原理，采用混合粉末等離子噴焊技術(shù)，在低碳鋼基材上制備了NiCrBSi/WC 仿生涂料，并對其涂層特性進行了研究。結(jié)果表明，涂層和基底的界面具有完整的冶金鍵，與低碳鋼相比，仿生涂層具有更高的耐磨性，這是由于涂層中硬WC 和碳化鉻顆粒(仿生單元)以及軟γ-Ni基體的結(jié)合。

根據(jù)上述研究可知，以自然界中的層狀生物結(jié)構(gòu)為研究對象，依據(jù)仿生強化機制，利用高能束熔覆技術(shù)，制備出軟硬相間的層狀仿生涂層，可提高基體的耐磨性、抗熱疲勞性等力學(xué)性能。 層狀結(jié)構(gòu)可通過原位合成、不同材料的疊層熔覆、輔助工藝、加入添加劑等工藝實現(xiàn)。

1.2 高能束制備非光滑結(jié)構(gòu)涂層

生物界很多生物體的表面是非光滑的，表層紋路形成的凹凸結(jié)構(gòu)可保護自身不受外界的侵蝕和破壞。很多土壤動物為了抵御自然界的侵蝕，體表會形成具有非光滑結(jié)構(gòu)的特殊形態(tài)排布的外皮，如穿山甲、蜣螂、螻蛄等。 非光滑結(jié)構(gòu)使生物體表面具有優(yōu)異的脫附、減阻和耐磨性能。 非光滑表面提高耐磨性的機理主要有[27]:磨屑收集、存儲能力與力矩效應(yīng)、應(yīng)力分散與應(yīng)力緩釋效應(yīng)。

張志鑫[28]分別采用等離子熔覆和激光熔覆的手段在灰鑄鐵HT250 上制備了仿生凹槽織構(gòu)和凹坑織構(gòu)的鈷基合金涂層，在同等試驗條件下，凹槽織構(gòu)和凹坑織構(gòu)的摩擦系數(shù)和磨損率均低于光滑表面試樣的。 Zhan等[29]采用等離子噴涂的方法使用Ni 基MoS2制備了含有凸起紋理的仿生涂層，發(fā)現(xiàn)凸起紋理的存在可以提高涂層黏附性能。 Yao 等[30]依據(jù)非光滑表面的仿生原理，利用生物表面作為仿生模型，設(shè)計了具有平行結(jié)構(gòu)、正方形結(jié)構(gòu)和三角形結(jié)構(gòu)的表面，圖2 為3 種仿生結(jié)構(gòu)的激光熔覆樣品及生物原型。 仿生結(jié)構(gòu)提高了基體的耐熱疲勞及耐磨性，并且當(dāng)熔覆層面積占比較高時，表面的耐熱疲勞和耐磨性能較好。 三角形結(jié)構(gòu)優(yōu)于平行結(jié)構(gòu)和正方形結(jié)構(gòu)。 Zhou 等[31]通過預(yù)開凹槽然后填充粉末的方法，使用Fe 基WC 粉末熔覆了具有點狀和紋狀仿生單元的表面結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)改善了長期工作的消耗性部件的耐磨性。 圖3 為涂層示意圖(d 為球形凸起仿生單元每個球的直徑；S1 為球形凸起仿生單元每個球在X 軸方向的距離；S2 為球形凸起仿生單元每個球在Y 軸方向的距離；w 為紋狀仿生單元每條紋的寬度；s 為紋狀仿生單元每條紋的間距)。 陳宏志[32]以自然界生物體表結(jié)構(gòu)為研究對象，根據(jù)表面非光滑仿生原理設(shè)計了不同的仿生單元體形狀，運用三維軟件Solidworks 和有限元分析軟件Ansys-Workbench對仿生單元體進行設(shè)計與分析，確定了單元體最優(yōu)尺寸與間隔，使用等離子噴涂的工藝，在銅基體表面噴涂鎳基合金粉末制備了試樣，如圖4 所示。 研究發(fā)現(xiàn)仿生涂層提升了基體表面的耐磨性能。 非光滑仿生結(jié)構(gòu)也可以與層狀仿生結(jié)構(gòu)相結(jié)合，Wu 等[33]將預(yù)置的Ti6Al4V 粉末與單晶WC 粉末熔覆在Ti6Al4V 鈦合金板上，涂層中未熔化的WC 顆粒具有強硬化的作用，可避免涂層的嚴(yán)重磨損，涂層與基體構(gòu)成了軟硬相間的層狀結(jié)構(gòu)，并且這項研究受到高磨損環(huán)境生物角質(zhì)層結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，設(shè)計了包括點、線、網(wǎng)格以及這些單元的非光滑仿生耦合結(jié)構(gòu)，如圖5 所示。 非光滑的結(jié)構(gòu)改善了仿生結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中的狀態(tài)，有利于向涂層下的基體釋放應(yīng)力。

圖2 仿生結(jié)構(gòu)熔覆樣品和生物原型Fig.2 Biomimetic structure cladding sample and biological prototype

圖3 2 種土壤動物表面和仿生單元[31]Fig.3 Two kinds of soil animals surfaces and bionic units[31]

圖4 銅基仿生單元[32]Fig.4 Copper based biomimetic unit[32]

圖5 激光熔覆過程和仿生結(jié)構(gòu)示意圖[33]Fig.5 Schematic diagram of laser cladding process and biomimetic structure [33]

由此可見，利用高能束熔覆技術(shù)制備出的表面非光滑的仿生結(jié)構(gòu)單元普遍可提高基體的耐磨性，而且不同表面形貌之間的性能存在差異，可通過實驗或軟件分析出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)。 目前對于非光滑表面的仿生原理的研究已較為豐富，后續(xù)可著重研究工藝參數(shù)對涂層與基體結(jié)合強度的影響、非光滑結(jié)構(gòu)與層狀結(jié)構(gòu)相結(jié)合等有多種仿生結(jié)構(gòu)的涂層以及非光滑仿生單元的設(shè)計。

1.3 高能束制備多尺度結(jié)構(gòu)涂層

自然界中有很多天然的多尺度結(jié)構(gòu)，比如木材細(xì)胞壁的膜結(jié)構(gòu)，其包含初生壁和次生壁，其中次生壁包含4 個副層共同構(gòu)成層狀分級結(jié)構(gòu)的細(xì)胞壁。 具有該種結(jié)構(gòu)的材料通常都具備較高的強度、韌性和硬度。通過模仿這種多尺度材料結(jié)構(gòu)對工業(yè)材料進行仿生加工，可以得到性能優(yōu)良的機械零部件。 有研究發(fā)現(xiàn)相較于單尺度的WC-Co 涂層，多尺度的WC-Co 涂層具有更優(yōu)異的性能[34]。 將微米和納米雙尺度相結(jié)合可得到高硬度、低孔隙度以及耐磨損性能優(yōu)良的涂層。 Ma等[35]使用激光熔覆的工藝，通過添加適量的WC 顆粒，在CoCrNi 涂層中形成了多尺度的碳化物結(jié)構(gòu)，涂層橫截面的SEM 形貌如圖6 所示[DR(consisting of dendrites):樹突；ID(interdendrites):樹突間]，在多種碳化物的協(xié)同作用下，制備的CoCrNi-xWC 復(fù)合涂層具有更好的耐磨性。 魯亞冉[36]在4Cr5MoSiV1 熱作模具鋼表面制備微米、納米及多尺度WC 顆粒增強Fe 基復(fù)合材 料層，發(fā)現(xiàn)多尺度復(fù)合材料層表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性能。

圖6 CoCrNi-xWC 涂層橫截面SEM 形貌[35]Fig.6 Cross section SEM morphology image of CoCrNi-xWC coating[35]

1.4 高能束制備梯度結(jié)構(gòu)涂層

成分梯度結(jié)構(gòu)也是仿生結(jié)構(gòu)的一種，仿生梯度結(jié)構(gòu)作為過渡層有助于降低不同2 種材料直接組合的線性膨脹系數(shù)的差異，降低制造過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，有利于抑制裂紋的形成[37，38]。 王熙[37]依據(jù)多尺度仿生原理在相同的激光條件下使用外加法和原位合成法熔覆了TiC 仿生梯度涂層，圖7 為梯度涂層和均質(zhì)涂層的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)。 結(jié)果顯示，仿生梯度涂層可同時提高基體的耐磨性能和力學(xué)性能。 沈大臣[39]選用與基體材料性能相近的Ni20Cr 自熔性合金粉末作為打底層，接著在Ni20Cr 合金涂層表面熔覆一層Ni60A 自熔性合金粉末，然后在表層分別熔覆不同含量WC 的Ni60A陶瓷粉末，最終制備出4 種合理的具有梯度結(jié)構(gòu)的金屬陶瓷梯度涂層。 測試涂層的硬度和耐磨性能發(fā)現(xiàn)，在Cr12MoV 鋼表面激光熔覆Ni60A＋w%WC 合金粉末制備出的梯度耐磨涂層都能達(dá)到提高Cr12MoV 鋼表面力學(xué)性能和對表面進行修復(fù)的要求。

圖7 激光熔覆涂層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[37]Fig.7 Internal structure of the laser cladding coatings[37]

綜上所述，依據(jù)不同的仿生機制，可利用高能束技術(shù)制備層狀、表面非光滑、多尺度、梯度結(jié)構(gòu)的仿生涂層。 仿生涂層普遍可以大幅提高基體表面的硬度、耐磨性、強度、韌性等力學(xué)性能，層狀仿生結(jié)構(gòu)的軟硬相間的特點對裂紋的擴張起到了偏轉(zhuǎn)及抑制的作用，提高了涂層的耐磨性等力學(xué)性能；非光滑仿生結(jié)構(gòu)可提高涂層的耐磨性；相較于單一尺度涂層，多尺度仿生結(jié)構(gòu)涂層有更高的硬度及耐磨性；梯度仿生結(jié)構(gòu)可提高涂層與基體的結(jié)合強度，并提高涂層的力學(xué)性能。

2 仿生涂層的質(zhì)量調(diào)控

2.1 仿生涂層高能束制備過程的工藝優(yōu)化

通過優(yōu)化熔覆過程的工藝參數(shù)，對改善熔覆層的成型質(zhì)量、增強涂層的力學(xué)性能、減少裂紋等缺陷有較大幫助[40－42]。 李高松[21]探究了激光工藝參數(shù)、比能和比粉等對仿生結(jié)構(gòu)熔覆層特性的影響，在H13 鋼上熔覆了以鎳基合金為主摻入25%WC 的混合粉末，并分析了其表面形貌、微觀組織情況、顯微硬度以及工藝參數(shù)對熔覆層氣泡、裂紋和柱節(jié)的影響，并且根據(jù)耐磨性能和抗熱疲勞測試結(jié)果篩選并簡化生物原型，最終得到三角形、四邊形和條形3 種仿生結(jié)構(gòu)，確定了仿生結(jié)構(gòu)間距的取值范圍，并對3 種仿生結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化。 實驗結(jié)果表明在相同間距下網(wǎng)狀硬質(zhì)仿生結(jié)構(gòu)比平行條形結(jié)構(gòu)的好，其中三角形比四邊形的抗熱疲勞性能好，而無仿生結(jié)構(gòu)的模具鋼平面抗熱疲勞性最差。 王鵬翔[24]通過實驗探究了高強鋼與高氮鋼的單層單道所成形的道高、道寬與所用的增材電流、電弧移動速度、送絲速度之間的規(guī)律，得出了不同的增材工藝參數(shù)對單道表面宏觀成形的影響規(guī)律；同時探究了單層多道的層內(nèi)表面成形質(zhì)量與道間搭接率之間的關(guān)系并對其道間距工藝參數(shù)進行了分析，得出了單層多道的最佳道間距，進而確定了等離子弧增材工藝制備高強鋼-高氮鋼仿生疊合交織增材件的成形工藝參數(shù)。

2.2 高能束制備過程的數(shù)值仿真

高能束制備涂層是一個涉及激光-粉末-基體之間相互作用和復(fù)雜傳質(zhì)的瞬態(tài)反應(yīng)過程，粉末材料的性能和工藝參數(shù)的變化對熔覆層的宏觀形貌和微觀結(jié)構(gòu)均有影響[43，44]，采用數(shù)值仿真方法可以建立高能束熔覆仿真模型，模擬粉末動力學(xué)過程、熔池的熔覆性能[45]等，這對改善熔池、控制缺陷、改善高能束熔覆工藝具有重要意義[46，47]。

2.2.1 溫度場的數(shù)值模擬

高能束熔覆過程中熔覆層內(nèi)會產(chǎn)生較大溫度梯度，產(chǎn)生殘余應(yīng)力使熔覆層內(nèi)產(chǎn)生裂紋或使基體變形，溫度梯度也會對應(yīng)力場產(chǎn)生很大的影響，應(yīng)力場與溫度場的分布會直接影響涂層的質(zhì)量和性能，利用數(shù)值模擬軟件對熔覆層的溫度場和應(yīng)力場進行分析可為實驗提供依據(jù)，對熔覆質(zhì)量進行優(yōu)化。 胡肇?zé)樀萚48]使用ANSYS 軟件對激光熔覆原位合成Mo2NiB2金屬陶瓷涂層的溫度場進行了模擬，研究了粉末反應(yīng)的機制，并與燒結(jié)法進行了對比，獲得了良好的Mo2NiB2金屬陶瓷涂層。 Yi 等[49]建立了雙層梯度體積熱源，模擬了熔覆鐵基粉末的過程(如圖8 所示)，分析了不同工藝參數(shù)下碳在石墨中的變化，以及石墨的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀形貌，研究了工藝參數(shù)對熔覆質(zhì)量的影響。 結(jié)果表明，在激光功率恒定的情況下，隨著掃描速度的降低，碳原子的擴散增加，并得到高度細(xì)化，從而抑制了石墨不良形態(tài)的產(chǎn)生，減少了微裂紋的產(chǎn)生。 馮偉龍[20]建立高斯熱源模型、使用“生死單元”技術(shù)實現(xiàn)H13 鋼表面熔覆Stellite156 鈷基合金溫度場仿真，分析得到了可以完全熔化粉末、同時得到較小的熱影響區(qū)的激光功率。 等離子熔覆工藝受多種工藝參數(shù)影響，如熔覆電流強度、噴槍掃描速度、噴嘴孔徑、電弧弧長等。 尹相愷[50]在高錳鋼基體上熔覆了鎳基合金，采用數(shù)值模擬的方法計算了等離子電弧的溫度場分布，分析了不同參數(shù)條件下電弧溫度場的變化規(guī)律，結(jié)合數(shù)值模擬的結(jié)果，得到了等離子熔覆較優(yōu)的工藝參數(shù)。

圖8 橫截面和選取節(jié)點處的溫度分布[49]Fig.8 Temperature distribution at cross section and selected nodes[49]

綜上可知，對熔覆層溫度場進行數(shù)值模擬可以很好地幫助分析熔覆過程，為實驗提供理論依據(jù)，減少試驗次數(shù)并可以優(yōu)化實驗，是調(diào)控熔覆層質(zhì)量的理想方法。

2.2.2 應(yīng)力場的數(shù)值模擬

Zhao 等[51]采用ABAQUS 有限元軟件模擬了Ni 基合金熔覆層在磨損過程中的應(yīng)力分布，結(jié)合熔覆層微觀結(jié)構(gòu)和相的變化進一步分析了仿生表面的耐磨損機理。 從圖9 可以看出，更多的應(yīng)力集中在硬合金單元上，隨著單位間距的逐漸減小，單位上相應(yīng)的應(yīng)力網(wǎng)圖的顏色逐漸由深紅色變?yōu)闇\綠色，說明單位上的應(yīng)力值在減小。 根據(jù)右邊的應(yīng)力曲線，圖9a 的橫坐標(biāo)代表X 方向距離，圖9b 至圖9f 的橫坐標(biāo)代表磨損方向的距離。 圖9a 至圖9f 的縱坐標(biāo)代表應(yīng)力值，單位為Pa。當(dāng)單位間距為3 mm 時，單位所承受的最大應(yīng)力值約為0.1 MPa。 隨著單位間距的逐漸減小，單位所承受的應(yīng)力值先增大后減小。 最佳間距為3 mm，使單元承受最高的應(yīng)力。 應(yīng)力差和應(yīng)力循環(huán)共同影響了仿生樣品的耐磨性。 劉佳明[52]利用Lloyd 算法使用MATLAB 構(gòu)建了葉脈－翅翼多元仿生耦合模型，將昆蟲翅脈的材料屬性賦予在仿生耦合模型上，通過ABAQUS 進行低周疲勞數(shù)值模擬驗證，發(fā)現(xiàn)裂紋在該模型上擴展時會偏折裂紋的擴展路徑，應(yīng)力也分布在整個模型區(qū)域上減輕了裂紋尖端的應(yīng)力集中，并極大幅度延長了殘余疲勞壽命。

圖9 未處理的基體和仿生結(jié)構(gòu)的磨損表面形態(tài)[51]Fig.9 Wear surface morphology of untreated substrate and biomimetic structure[51]

綜上可知，可通過優(yōu)化熔覆過程中的工藝參數(shù)、對熔覆層的溫度場和應(yīng)力場進行數(shù)值模擬的方法對熔覆層質(zhì)量進行調(diào)控。 通過對高能束增材制造過程中熱應(yīng)力、組織應(yīng)力、凝固收縮應(yīng)力的非穩(wěn)態(tài)耦合交互作用、應(yīng)力集中演化規(guī)律、冶金界面行為等進行研究，揭示涂層內(nèi)部冶金缺陷的基本特征、形成機理、變形-開裂行為的原因及預(yù)防、控制方法，對改善涂層性能有重要意義。 后續(xù)可對熔覆的傳熱過程進行進一步研究，從而對熔覆過程的特性和本質(zhì)有更好的理解。

3 結(jié)論和展望

高能束熔覆技術(shù)能量密度高、工藝參數(shù)易調(diào)節(jié)、可實現(xiàn)精密結(jié)構(gòu)的加工等特點，已成為制備仿生涂層的理想方法。 目前，對高能束熔覆制備仿生涂層的研究主要聚焦在兩方面:一是熔覆層材料的選擇；二是涂層質(zhì)量的改善，包括高能束工藝參數(shù)的優(yōu)化、仿生單元的設(shè)計、熔覆層溫度場和應(yīng)力場的數(shù)值模擬等。 高能束熔覆仿生涂層仍需改進的方面和發(fā)展方向:

(1)在熔覆層材料選擇方面，單一的金屬涂層和陶瓷涂層的防護效果都不是很理想。 合理選擇不同種類的陶瓷增強相，利用增材制造技術(shù)在良好塑性的鋼鐵基體上制備內(nèi)含陶瓷增強相的梯度涂層，將塑性及脆性材料的共同優(yōu)勢充分結(jié)合在一起，可望在全攻角下獲得較好的耐蝕耐磨性能。 目前有關(guān)仿生結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制備以及仿生結(jié)構(gòu)的強化原理的研究已較為全面，熔覆層材料的成分配比、混合方法較難確定，粉末特性和增強相的原位合成的過程等仍需要深入研究；

(2)高能束熔覆期間會伴隨著復(fù)雜的傳熱和多物理場耦合等現(xiàn)象。 通過對高能束增材制造過程中的熱應(yīng)力、組織應(yīng)力、凝固收縮應(yīng)力的非穩(wěn)態(tài)耦合交互作用、應(yīng)力集中演化規(guī)律、冶金界面行為等進行研究，揭示涂層內(nèi)部冶金缺陷的基本特征、形成機理、變形-開裂行為的原因及預(yù)防、控制方法，對改善涂層性能有重要意義。 現(xiàn)有關(guān)通過實驗以及對溫度場和應(yīng)力場的模擬仿真調(diào)控涂層質(zhì)量的研究已經(jīng)比較豐富，在未來可對熔覆的傳熱過程進行進一步研究，后續(xù)還可以著重研究仿真軟件的二次開發(fā)功能；

(3)目前對于多種仿生結(jié)構(gòu)和特征結(jié)合的涂層的研究較少，后續(xù)可著重研究非光滑結(jié)構(gòu)與層狀結(jié)構(gòu)相結(jié)合等有多種仿生結(jié)構(gòu)的涂層的設(shè)計及性能的測試；

(4)近年來，激光微納加工和超快激光加工由于同時具有損傷低、精度高等多方面的加工優(yōu)勢已成為研究熱點[53－55]，微納仿生結(jié)構(gòu)可以使材料獲得良好的減阻性、耐腐蝕性、疏水性等性能，在復(fù)合材料和航空航天等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，未來可研究利用激光微納加工和超快激光加工技術(shù)制備仿生涂層。