Materiały gradientowe

Materiał gradientowy to materiał, którego właściwości zmieniają się w sposób zdefiniowany przestrzennie. Przyczyną tego mogą być zmiany składu chemicznego, struktury mikroskopowej lub porowatości. Typowe jest ciągłe lub stopniowe przejście między różnymi strefami funkcjonalnymi. W ten sposób można na przykład połączyć twarde, odporne na zużycie obszary brzegowe z bardziej wytrzymałym, odpornym na pękanie rdzeniem.

W metalurgii proszkowej materiały gradientowe są często wytwarzane poprzez celowe rozmieszczenie różnych stref proszkowych. W tym celu proszki metalowe o różnym składzie, wielkości ziaren lub gęstości są kontrolowanie nakładane warstwami, zagęszczane, a następnie spiekane. Podczas spiekania cząstki tworzą lokalne wiązania. W ten sposób powstaje element o zmiennych w przestrzeni właściwościach mikrostrukturalnych bez ostrych linii podziału charakterystycznych dla klasycznych materiałów kompozytowych.

Ważnym obszarem zastosowań są narzędzia i elementy chroniące przed zużyciem. Tutaj na przykład bardzo twarde powierzchnie łączy się z bardziej plastycznym podłożem, aby z jednej strony zminimalizować ścieranie, a z drugiej uniknąć pęknięć lub odprysków. Podobnie jest w przypadku elementów poddawanych dużym obciążeniom termicznym. W takich przypadkach można zastosować gradienty przewodności cieplnej lub rozszerzalności cieplnej w celu zmniejszenia naprężeń i wydłużenia żywotności. Produkcja tych materiałów gradientowych stawia wysokie wymagania w zakresie mieszania proszków i formowania. Lokalne składy muszą być przy tym osiągane w sposób powtarzalny. Decydujące znaczenie mają przy tym jakość mieszania, rozkład wielkości cząstek oraz właściwości płynięcia proszków. Precyzyjne mieszalniki proszkowe pomagają w dostarczaniu określonych kombinacji proszków dla poszczególnych stref. W drugim etapie strefy te muszą zostać wypełnione i zagęszczone w taki sposób, aby w elemencie powstał pożądany gradient.

Materiały gradientowe stanowią punkt styku między metalurgią proszkową, techniką ceramiczną i materiałami kompozytowymi. Podobne koncepcje są stosowane w przypadku węglików spiekanych, cermetali i ceramiki wysokowydajnej w celu połączenia różnych profili właściwości w jednym elemencie.