熱障涂層后處理技術(shù)研究進(jìn)展

李燦鋒,張盼盼*,姚建華,張群莉,Volodymyr Kovalenko

（1.浙江工業(yè)大學(xué)激光先進(jìn)制造研究院，浙江杭州 310023；2.浙江工業(yè)大學(xué)高端激光制造裝備省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，浙江杭州 310023；3.浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江杭州 310023；4.烏克蘭國(guó)立科技大學(xué) 激光技術(shù)研究所，基輔 03056）

隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，對(duì)大型燃汽輪機(jī)的需求和性能要求越來(lái)越高．隨著各國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)“兩機(jī)”技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，兩機(jī)的流量比、推重比和服役溫度不斷突破上限，導(dǎo)致兩機(jī)燃燒室的溫度和壓力不斷提高，工作環(huán)境中燃?xì)鉁囟葘⒊^(guò)高溫合金的熔點(diǎn)，現(xiàn)有的高溫合金已無(wú)法在高溫復(fù)雜工況下正常服役．為提高熱端部件的性能和使用壽命，1953年美國(guó)國(guó)家航天局（NASA）首次提出熱障涂層（Thermal Barrier Coatings，簡(jiǎn)稱TBCs）［1-3］的概 念，同時(shí)熱障 涂 層在20世紀(jì)70年代已經(jīng)成功用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室和其它熱端部件，降低了熱端部件的表面溫度，延長(zhǎng)了發(fā)動(dòng)機(jī)的服役壽命［4-6］，是高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)研制的關(guān)鍵技術(shù)之一．

熱障涂層是由高耐熱性、抗腐蝕性和低導(dǎo)熱性的陶瓷表層和粘結(jié)層所組成，具有雙層結(jié)構(gòu)的熱障涂層已在工業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用．熱障涂層的頂部為陶瓷層，其具備的功能有耐腐耐蝕、隔熱性能優(yōu)異及較好的抗熱震性．通常陶瓷層材料為氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯YSZ（Y2O3為6%～8%），其熔點(diǎn)較高（約2700℃），熱導(dǎo)率較低（致密材料1000℃下的熱導(dǎo)系數(shù)約為2.3 W·（m·K）-1）［7-10］．通常，熱障涂層中金屬基體和陶瓷涂層之間加了一層MCrAlX金屬粘結(jié)層（M代表Ni，Co和Ni-Co，而X表示Y，Hf，Sc，Ce，La和Th等較活潑的元素）［11-14］，其目的是為了緩解陶瓷涂層和金屬基體之間的熱膨脹不匹配，同時(shí)提高基體的抗氧化性，并增強(qiáng)陶瓷涂層與基體之間的結(jié)合力．

然而，熱障涂層工作環(huán)境惡劣，服役時(shí)承受復(fù)雜應(yīng)力、沖蝕和腐蝕等多種極端工況，涂層極易發(fā)生氧化、熱腐蝕、磨損和熱疲勞剝落等失效［15-19］，極大地影響了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用安全性、可靠性［20-22］．近年來(lái)，為了提高熱障涂層的綜合性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在涂層后處理包括真空熱處理、熱等靜壓處理、激光重熔、激光上釉和激光熔覆等方面，對(duì)熱障涂層進(jìn)行了大量研究［23-28］．熱障涂層后處理技術(shù)作為一種高質(zhì)高效的表面改性技術(shù)，不僅可以明顯改變涂層的組織結(jié)構(gòu)或化學(xué)成分，而且可顯著節(jié)約熱端部件高昂的更換或維修成本，同時(shí)滿足高端智能制造領(lǐng)域?qū)ν繉有阅艿某咭螅畬?duì)近些年來(lái)研究比較廣泛的真空熱處理、熱等靜壓處理、激光重熔、激光上釉和激光熔覆等熱障涂層后處理技術(shù)進(jìn)行了闡述，探究了熱障涂層后處理技術(shù)研究現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，并對(duì)熱障涂層的研究和應(yīng)用前景進(jìn)行了展望，旨在為制備高結(jié)合強(qiáng)度、低孔隙率和長(zhǎng)壽命的熱障涂層提供理論基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)思路．

1 熱障涂層后處理方法

傳統(tǒng)方法制備的熱障涂層難以滿足在高溫苛刻環(huán)境下服役的性能要求，熱障涂層在極端環(huán)境下（溫度超過(guò)1300℃、濕度超過(guò)70%、顆粒沖蝕嚴(yán)重等）工作，涂層易腐蝕、開(kāi)裂導(dǎo)致剝落失效，嚴(yán)重縮短了熱障涂層的使用壽命．為提高熱障涂層性能，無(wú)數(shù)研究學(xué)者采用熱處理技術(shù)、激光改性技術(shù)等后處理方法改善熱障涂層的結(jié)合強(qiáng)度、致密度，從而提高熱障涂層的抗高溫氧化、抗熱震性能．

1.1 真空熱處理

真 空 熱 處 理（vacuum heat treatment，簡(jiǎn) 稱VHT）是真空技術(shù)與熱處理技術(shù)相結(jié)合的新型熱處理技術(shù)，熱處理工藝的全部或部分在真空狀態(tài)下進(jìn)行，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)氧化、無(wú)脫碳、無(wú)滲碳，可優(yōu)化工件表面及內(nèi)部的缺陷，并有脫脂除氣等作用，從而達(dá)到提高工件性能的效果．

在涂層的界面結(jié)合方式、結(jié)合強(qiáng)度、熱循環(huán)壽命和抗氧化性等方面，研究者們進(jìn)行了大量的研究．涂層真空熱處理后的質(zhì)量主要受到溫度的影響，圖1為采用不同溫度真空熱處理后的NiCrAlYSi涂層截面形貌［29］．從圖1可見(jiàn)：在780℃高溫下3 h，基體與粘結(jié)層的界面上沒(méi)有明顯的孔隙；隨著VHT溫度從780℃升高到870℃，粘結(jié)層/基體界面變得明顯；960℃高溫固化3 h后，界面上有少量孔隙，但孔隙尺寸較??；隨著VHT溫度從960℃進(jìn)一步升高到1050℃，氣孔數(shù)量增加，氣孔尺寸增大，界面上存在直徑約為3μm的孔隙．表明，真空熱處理中溫度決定涂層相對(duì)密度，從而影響其抗氧化和耐腐蝕性能．

圖1 不同VHT條件下沉積態(tài)NiCrAlYSi層的截面微觀結(jié)構(gòu)［29］（a）780℃；（b）870℃；（C）960℃；（d）1050℃Fig.1 Cross-section microstructures of the as-deposited NiCrAlYSi layer after different VHT

大氣等離子噴涂（APS）制備的涂層與基體之間為機(jī)械結(jié)合，在涂層服役過(guò)程中容易脫落，而在高溫條件下涂層與基體界面處元素會(huì)發(fā)生擴(kuò)散，使涂層和基體之間由機(jī)械結(jié)合變?yōu)橐苯鸾Y(jié)合．因此，應(yīng)該選取最佳工藝對(duì)涂層進(jìn)行真空熱處理，以提高涂層的使用壽命．薛文利等人［30］首先采用大氣等離子噴涂在HA 188合金基材上制備NiCoCrAlY+YSZ熱障涂層，然后在1080℃下對(duì)制備的熱障涂層進(jìn)行高真空（約為10-3Pa）和低真空（0.5～1 Pa）熱處理．結(jié)果表明，高、低真空熱處理均能顯著提高熱障涂層的熱循環(huán)壽命，但高、低真空熱處理下的涂層的抗熱震性能差別不大．經(jīng)真空熱處理后的熱障涂層的粘結(jié)層與陶瓷層之間熱生長(zhǎng)氧化物（Thermal Growth Oxidation，TGO）的生長(zhǎng)受到抑制，緩解了涂層內(nèi)部應(yīng)力累積導(dǎo)致涂層剝落的影響．李晨希等人［31］采用超音速火焰噴涂（HVOF）在鎳基高溫合金基體上制備CoNiCrAlY粘結(jié)層，采用APS制備8YSZ陶瓷層，并對(duì)該熱障涂層進(jìn)行1120℃下保溫2 h的真空熱處理．結(jié)果表明：粘結(jié)層和基體之間發(fā)生了元素?cái)U(kuò)散，涂層發(fā)生均質(zhì)化，減小了涂層與基體之間的熱失配，促進(jìn)了基體與粘結(jié)層的冶金結(jié)合，提高了涂層的結(jié)合強(qiáng)度；經(jīng)過(guò)真空熱處理后涂層的最終熱循環(huán)次數(shù)增加，抗熱震性能明顯提高．真空熱處理是改善熱障涂層與基體結(jié)合狀況，提高熱障涂層抗熱震性能的有效途徑之一．Meng等人［32］采用APS制備CoNiCrAlY粘結(jié)層，在溫度1373 K和壓力1×10-3Pa下真空熱處理4～10 h．結(jié)果表明，涂層和基體之間形成了冶金結(jié)合，涂層的結(jié)合強(qiáng)度顯著提高．Zheng等人［33］采用HVOF方法制備了NiCrAlY涂層，在不同溫度（1000，1100和1200℃）下對(duì)噴涂涂層進(jìn)行真空熱處理，并對(duì)試樣在1100℃的空氣中進(jìn)行等溫氧化暴露試驗(yàn)最多21 h．結(jié)果表明，真空熱處理后涂層的內(nèi)部氧化物明顯小于噴涂涂層，且1200℃下真空熱處理后的涂層氧含量最低，具有最好的高溫抗氧化性．

相比傳統(tǒng)的噴涂方式，在經(jīng)過(guò)真空熱處理后，涂層與基體由原本的機(jī)械結(jié)合轉(zhuǎn)變成冶金結(jié)合，所以其結(jié)合力獲得了大幅的增強(qiáng)．涂層界面氧化膜的形成抑制了TGO生長(zhǎng)，阻止涂層裂紋的產(chǎn)生，提高了涂層的使用壽命．另一方面，真空熱處理后的涂層在內(nèi)部產(chǎn)生了更多的氧化物，在一定程度上降低了熱膨脹系數(shù)，減少了由熱膨脹系數(shù)不匹配造成的應(yīng)力開(kāi)裂，從而改善了涂層的綜合性能．

1.2 熱等靜壓處理

熱等靜壓（hot isostatic pressing，簡(jiǎn)稱HIP）是一種集高溫、高壓于一體的工藝生產(chǎn)技術(shù)，加熱溫度通常為1000～2000℃，以密閉容器中的高壓惰性氣體或氮?dú)鉃閭鲏航橘|(zhì)，工作壓力可達(dá)200 MPa．HIP工藝是將制品放置到密閉的容器中，向制品施加各向同等的壓力并同時(shí)施以高溫，在高溫高壓的作用下制品得以燒結(jié)和致密化，是目前表面工程技術(shù)研究的熱點(diǎn)．

HIP處理是改善熱障涂層性能的有效方法，HIP涂層的質(zhì)量主要受到壓力和溫度的影響，圖2為APS制備的Mg2Zr5O12涂層的拉伸強(qiáng)度和熱循環(huán)次數(shù)［34］．從圖2（a）可見(jiàn)，粘結(jié)層和HIP確實(shí)對(duì)涂層的拉伸強(qiáng)度有明顯的提高．從圖2（b）可見(jiàn)，噴涂態(tài)樣品在240次循環(huán)后失效，而HIP后的樣品在1000次循環(huán)后沒(méi)有出現(xiàn)任何裂紋．

圖2 等離子噴涂Mg2Zr5O12涂層的拉伸強(qiáng)度和熱循環(huán)次數(shù)［34］（a）結(jié)合強(qiáng)度；（b）熱循環(huán)次數(shù)Fig.2 Tensile strength and thermal cycling number of plasma sprayed Mg2Zr5O12 coating（a）tensile strength；（b）thermal cycling number

研究者們?cè)谕繉拥闹旅芏?、結(jié)合強(qiáng)度和結(jié)合方式等方面進(jìn)行了大量的研究．張麗［35］研究了熱等靜壓處理對(duì)陶瓷的影響，經(jīng)過(guò)HIP處理后發(fā)現(xiàn)，粘結(jié)層和ZrO2層變得更加致密，ZrO2涂層中裂紋減少，由于存在燒結(jié)效應(yīng)，在涂層間或微粒子之間形成一定的冶金結(jié)合，提高了涂層結(jié)合強(qiáng)度．S.Stewart等人［36］采用JP5000 HVOF技術(shù)在440-C軸承鋼基體上沉積WC-NiCrBSi熱障涂層，在壓力為100 MPa，在850℃和1200℃下分別處理1 h，結(jié)果表明：涂層微觀結(jié)構(gòu)明顯改變，處理后涂層缺陷減少，硬度增加；涂層內(nèi)聚強(qiáng)度及涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度均增加，且經(jīng)1200℃處理后的涂層性能更好．S.Kuba等人［37］在IN738LC基體上制備NiCoCrAlY粘結(jié)層和8YSZ陶瓷層，隨后在1200℃和147 MPa氬氣的氛圍下處理4 h，結(jié)果表明經(jīng)HIP處理的IN738LC的孔隙率明顯低于非HIP處理的樣品，并且熱障涂層疲勞壽命大大提高．KHOR KA等人［38］對(duì)等離子噴涂ZrO2-5wt%CaO熱障涂層在溫度750～1300℃和壓力50～200 MPa下處理1 h，結(jié)果表明：處理后的涂層孔隙率由3.2%降低至0.2%，且溫度越高孔隙率越低；同時(shí)，涂層硬度和楊氏模量等物理特性也有所增加．解路等人［39］采用等離子噴涂制備鉬涂層，研究了低壓熱等靜壓處理（1500℃和10 MPa下處理90 min）和高壓熱等靜壓（1600℃和125 MPa下處理120 min）對(duì)鉬涂層的影響，結(jié)果表明：一次低壓熱等靜壓處理后，涂層致密度由89.7%提高至92%，結(jié)合強(qiáng)度由44 MPa提高至54 MPa，顯微硬度由152 HV提高至246 HV；二次高壓熱等靜壓處理后，獲得的涂層致密度高達(dá)97.3%，結(jié)合強(qiáng)度高達(dá)110 MPa，顯微硬度高達(dá)321 HV，鉬涂層的顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能得到明顯改善．侯豁然等人［40］研究了HIP（950℃和920℃）對(duì)NiCrBSi噴涂層耐磨性及化學(xué)成分分布的影響，結(jié)果表明：磨損失重質(zhì)量比未經(jīng)HIP處理的涂層明顯降低，耐磨性能提高7倍；HIP促進(jìn)了基體和涂層之間的元素互擴(kuò)散，形成冶金結(jié)合，提高了界面間結(jié)合強(qiáng)度的同時(shí)致密度也得到提高．

熱等靜壓處理過(guò)程中，熱障涂層在高溫高壓的作用下，涂層與基體內(nèi)部疏松和縮孔基本消除，在致密性和力學(xué)性能方面都有明顯提升，但接近100%致密度的熱障涂層隔熱性能明顯不足，控制涂層10%～15%的孔隙率是熱障涂層保證基體耐高溫的要求．目前對(duì)于HIP控制涂層和基體孔隙率方面的研究尚且不足，是熱等靜壓技術(shù)未來(lái)研究的重要方向．

1.3 激光重熔

激光重熔是一種利用高能激光束對(duì)試樣表面進(jìn)行快速熔化和凝固，形成與基體性能不同的改性層的表面改性技術(shù)．激光重熔具有加熱速度快、熱耗散少、污染小、應(yīng)用靈活的特點(diǎn)，但激光重熔涂層的難題是界面結(jié)合強(qiáng)度低，且熔融后熔池冷卻速度過(guò)快而產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，激光重熔過(guò)程中涂層微觀組織的控制是涂層性能的關(guān)鍵．圖3為噴涂態(tài)和激光重熔YSZ樣品的表面形貌［41］．從圖3可見(jiàn)：從噴涂態(tài)的YSZ表面可以發(fā)現(xiàn)一些突起，重熔后的YSZ表面有網(wǎng)狀裂紋；粗糙度參數(shù)Rq分別為8.05±0.12，5.20±0.66，2.33±0.31和1.15±0.15μm，說(shuō)明重熔后樣品表面粗糙度要小于噴涂態(tài)樣品，隨著激光能量密度的增加，YSZ表面的粗糙度減小．

圖3 YSZ涂層的SEM微觀圖［41］（a）噴涂態(tài)S0試樣；（b）激光重熔S1試樣（能量密度為1 J/mm2）；（c）激光重熔S2試樣（能量密度為5 J/mm2）；（d）激光重熔S3試樣（能量密度為10 J/mm2）Fig.3 Surface view of SEM micrographs of YSZ coatings（a）as-sprayed S0 sample；（b）laser remelted S1 sample（energy density of 1 J/mm2）；（c）laser remelted S2 sample（energy density of 5 J/mm2）；（d）laser remelted S3 sample（energy density of 10 J/mm2）

在涂層的界面結(jié)合方式、致密度、結(jié)合強(qiáng)度、耐磨性和抗氧化性等方面，研究者們進(jìn)行了大量的研究．Feng等人［42］采用大氣等離子噴涂制備了ZrO2-Y2O3熱障涂層（YSZ TBCs），然后采用4 kW的CO2激光器對(duì)涂層表面進(jìn)行激光重熔強(qiáng)化，并在1100℃及保溫20，50和100 h條件下進(jìn)行高溫氧化試驗(yàn)，結(jié)果表明重熔處理提高了噴涂態(tài)涂層的致密性，經(jīng)100 h高溫氧化試驗(yàn)后TGO沒(méi)有明顯增厚和孔隙出現(xiàn)，高溫抗氧化性能明顯提高．在影響激光重熔的因素方面，研究者也做了諸多研究．張帥等人［43］對(duì)等離子噴涂氧化鋯涂層進(jìn)行多道激光重熔，探究了搭接率對(duì)重熔涂層表面及截面微觀組織形貌的影響規(guī)律，并在溫度為1050℃電阻式加熱爐中進(jìn)行了熱震試驗(yàn)，探究不同搭接率對(duì)涂層熱循環(huán)壽命的影響規(guī)律，結(jié)果表明：隨著搭接率的增加，搭接區(qū)的裂紋密度隨之減小，凹坑的數(shù)量隨之增加；熱震實(shí)驗(yàn)后，裂紋寬度減小，表面出現(xiàn)大量凹坑；搭接率為0.30時(shí)，重熔涂層的熱循環(huán)壽命最長(zhǎng)．孟慶瑞［44］采用大氣等離子噴涂技術(shù)在鋁合金表面制備YSZ熱障涂層，并分別采用CO2激光器和光纖激光器進(jìn)行重熔處理，采用腐蝕介質(zhì)為3.5%的NaCl溶液對(duì)涂層進(jìn)行陽(yáng)極極化試驗(yàn)，結(jié)果表明使用低比能量的激光重熔可提高涂層的耐蝕性．Wang［45］采用等離子噴涂和等離子噴涂復(fù)合激光重熔技術(shù)，在TiAl合金表面制備常規(guī)和納米結(jié)構(gòu)的熱障涂層，采用激光功率為550和500 W的CO2激光器分別對(duì)常規(guī)和納米結(jié)構(gòu)涂層進(jìn)行激光重熔，結(jié)果表明：傳統(tǒng)等離子噴涂陶瓷層主要由四方相和少量單斜相組成，而納米等離子噴涂陶瓷涂層只含有非平衡的四方相；激光重熔后，常規(guī)涂層和納米涂層均主要含有非平衡四方相和少量立方相，且納米結(jié)構(gòu)涂層重熔區(qū)晶界強(qiáng)度高，有相當(dāng)數(shù)量的穿晶斷裂．激光重熔等離子噴涂雙層結(jié)構(gòu)熱障涂層的主要缺陷是涂層裂紋或剝落，優(yōu)化參數(shù)、合理設(shè)計(jì)熱障涂層、優(yōu)化粉末配比等都可以在一定程度上改善重熔區(qū)域微觀組織．

在梯度涂層制備過(guò)程中，逐漸改變噴涂涂層材料的比例，從基體到涂層表面形成梯度涂層，可以改善涂層和基體的匹配性，減小激光重熔過(guò)程中的熱應(yīng)力累積，阻止裂紋大量形成，提高涂層和基體的結(jié)合強(qiáng)度．向興華等人［46］采用激光重熔對(duì)APS制備的ZrO2-NiCoCrAlY梯度涂層進(jìn)行后處理．結(jié)果表明，ZrO2熔化區(qū)形成了致密的結(jié)晶組織，涂層的抗氧化性能得到較大的改善，激光掃描速度為43 mm/s時(shí)重熔區(qū)硬度最大達(dá)2150 HV．陳梟［47］采用低壓APS技術(shù)在310S不銹鋼表面制備MoB/CoCr梯度涂層，然后對(duì)涂層進(jìn)行激光重熔處理．結(jié)果表明，重熔后的涂層表面變得致密、平整，激光重熔層的硬度較重熔前提高了約20%．

激光重熔處理后，涂層與基體由原本的機(jī)械結(jié)合轉(zhuǎn)變成冶金結(jié)合，所以其結(jié)合強(qiáng)度大大增強(qiáng)．另一方面，涂層中的部分裂紋和孔隙得到消除，致密度提高，原因是激光重熔細(xì)化了晶粒，抑制了有害相變的發(fā)生，從而消除涂層中大多數(shù)組織結(jié)構(gòu)的缺陷，提高涂層的綜合性能．在激光重熔過(guò)程中引入特殊工藝的復(fù)合激光重熔工藝是提高熱障涂層性能的一種有效方法，但激光重熔制備高性能熱障涂層還需要進(jìn)行不斷的研究，特別是在材料、機(jī)理、工藝等方面仍需進(jìn)行更深入的研究．

1.4 激光上釉

激光上釉是一種利用功率密度很高（105～107W/cm2）的激光束在很短時(shí)間內(nèi)作用于材料表面，使材料表面迅速熔化，然后通過(guò)材料基體的激冷作用（冷卻速度105～109K/s）使表面改性層形成一層微晶或非晶層的表面改性方法．圖4為激光上釉YSZ的表面和截面形貌［48］．從圖4可見(jiàn)，釉面層呈致密的柱狀微結(jié)構(gòu)，在整個(gè)釉面層中發(fā)現(xiàn)了與網(wǎng)狀裂紋相對(duì)應(yīng)的垂直裂紋，在釉面層和涂層之間的界面上形成少量水平裂紋，這可能導(dǎo)致涂層的熱循環(huán)性能不佳．

圖4 激光上釉涂層的SEM微觀圖［48］（a）表面；（b）截面Fig.4 SEM micrograph of laser glazing coating（a）surface；（b）cross section

在涂層致密度、抗腐蝕性和抗熱震性等方面，已有大量研究人員進(jìn)行了探索．Guo等人［49］采用脈沖激光器對(duì)大氣等離子噴涂制備的YSZ TBCs進(jìn)行激光上釉改性，噴涂態(tài)和激光上釉改性后的涂層均在700和1000℃的V2O5中進(jìn)行了4 h的熱腐蝕試驗(yàn)．結(jié)果表明，激光上釉改性的涂層耐腐蝕性能有所提高，且熱腐蝕后上釉層結(jié)構(gòu)完整，但上釉層內(nèi)的部分垂直裂紋為腐蝕介質(zhì)滲透提供了路徑．Reza Ghasemi等人［50］采用Nd：YAG脈沖激光上釉處理APS制備YSZ和NiCrAlY粘結(jié)層組成的納米結(jié)構(gòu)熱障涂層．結(jié)果表明，激光上釉消除了等離子噴涂涂層的表面孔隙和其他結(jié)構(gòu)缺陷，表面粗糙度Ra由9.2μm降低至2.5μm．與噴涂涂層相比，激光上釉涂層的隔熱性能略低，但涂層致密性提高．Azrina Arshad等人［51］采用HVOF工藝制備NiCoCrAlYTa結(jié)合層、APS制備8YSZ和La2Zr2O7，然后采用激光上釉處理涂層．結(jié)果表明，激光上釉降低了涂層表面粗糙度．M.S.Ahmadi等人［52］研究了激光上釉對(duì)等離子噴涂Al2O3/YSZ多層熱障涂層熱沖擊行為的影響，采用APS在Inconel 718上制備Ni-22Cr-10Al-Y粘結(jié)層和Al2O3/YSZ，噴涂態(tài)樣品和激光上釉樣品的熱震試驗(yàn)條件為1000℃下保溫15 min．結(jié)果表明，熱噴涂涂層經(jīng)歷了232次循環(huán)，激光上釉涂層經(jīng)歷了325次循環(huán)，表明激光上釉明顯提高了涂層的抗熱震性能．

激光上釉較薄的釉面層結(jié)構(gòu)致密，涂層的微觀結(jié)構(gòu)由柱狀晶粒和表面的等軸晶粒組成，涂層的表面粗糙度降低，激光上釉涂層具備良好的抗氧化性能和耐熱耐腐蝕性能，釉面層少量的垂直裂紋有助于提高涂層的應(yīng)變?nèi)菹蓿舍尫磐繉觾?nèi)部因體積膨脹帶來(lái)的熱應(yīng)力累積．但是釉面層孔隙率過(guò)低，涂層的隔熱性能略低．上釉區(qū)的微觀裂紋一定程度上可以提高涂層的熱循環(huán)壽命，但隨著裂紋的擴(kuò)展，等離子噴涂熱障涂層層狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平裂紋與垂直裂紋相交互會(huì)導(dǎo)致涂層剝落失效，還需要通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)來(lái)改善釉面涂層的性能．

1.5 激光熔覆

激光熔覆是通過(guò)同步或預(yù)置材料的方式，并利用高能密度的激光束使之與基材表面薄層一起熔凝，在基層表面形成冶金結(jié)合的熔覆層的表面工程技術(shù)．激光熔覆技術(shù)具有基材對(duì)熔池的稀釋率小、熱影響區(qū)小、工件受熱形變小，以及激光熔覆處理后工件報(bào)廢率低等特點(diǎn)．相較于傳統(tǒng)噴涂涂層，激光熔覆可顯著改善材料的表面性能，具有效率高、速度快、綠色環(huán)保無(wú)污染及處理后工件性能好等特點(diǎn)．圖5為激光熔覆氧化鋁的微觀形貌［53］．從圖5可見(jiàn)，與原涂層相比，激光熔覆涂層表面更光滑、致密性更高，但在表面上仍然可以看到連續(xù)的網(wǎng)狀分段裂紋．

圖5 激光熔覆SEM微觀圖［53］（a）表面；（b）橫截面Fig.5 The SEM micrographs of the laser clad coating（a）the surface；（b）the cross section

激光熔覆技術(shù)也是代表表面工程技術(shù)發(fā)展方向的新技術(shù)之一，在影響激光熔覆的因素方面，研究者也做了諸多研究．喬偉林［54］在IN 718合金表面激光熔覆制備出1 mm厚的NiCoCrAlY粘結(jié)層，在粘結(jié)層表面以不同激光掃描速度制備NiCoCrAlY包YSZ復(fù)合涂層．抗熱震性能和抗高溫氧化性能測(cè)試結(jié)果表明，在8 mm/s激光掃描速度下的熔覆試樣的抗熱震性能最好．劉佳奇［55］選用多種工藝參數(shù)在TC4基材上激光熔覆CoCrAlSiY涂層和CoCrAlSiY/YSZ涂層．結(jié)果表明：當(dāng)激光功率為1600 W和掃描速度為10 mm/s時(shí)，CoCrAlSiY涂層整體質(zhì)量最佳；當(dāng)激光功率為1800 W和掃描速度為10 mm/s時(shí)，CoCrAlSiY/YSZ涂層整體質(zhì)量最好．Zohre Soleimanipour等人［56］采用激光熔覆在YSZ涂層表面制備Al2O3涂層，采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為55%的V2O5和45%的Na2SO4作為腐蝕介質(zhì)，對(duì)激光熔覆前后的涂層進(jìn)行了1000℃下保溫30 h的熱腐蝕試驗(yàn)，結(jié)果表明：在熱腐蝕試驗(yàn)后，在未經(jīng)激光熔覆的涂層表面形成了分散的YVO4棒狀晶體，而在激光熔覆的涂層中幾乎檢測(cè)不到；未激光熔覆的涂層m-ZrO2含量約70%，激光熔覆涂層m-ZrO2含量約13%，表明激光熔覆顯著提高了涂層的抗熱腐蝕性能．Ma等人［57］采用超聲輔助激光熔覆技術(shù)在鈦合金基體上制備YSZ涂層，研究了超聲振動(dòng)對(duì)顯微組織和機(jī)械性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著超聲輸出功率的增加，熔覆深度增加，涂層與基體之間的潤(rùn)濕性提高；摩擦磨損試驗(yàn)表明，超聲輔助細(xì)化了YSZ涂層微觀組織，使涂層的摩擦系數(shù)低于無(wú)超聲輔助制備的涂層．

激光熔覆使涂層與基體之間形成冶金結(jié)合，大大提升了結(jié)合強(qiáng)度，其次激光熔覆有效控制了涂層中的相變，緩解了由殘余應(yīng)力積累引起的涂層開(kāi)裂，提高了涂層的綜合性能．采用激光熔覆制備陶瓷涂層能顯著提高基體材料耐蝕、耐磨、耐高溫、抗氧化的性能，使其滿足各種極端條件下使用工況，但涂層中裂紋的產(chǎn)生，成為限制激光熔覆制備熱障涂層使用的最大障礙．可廣泛借鑒在鑄造、焊接、陶瓷刀具等領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)多種輔助方式復(fù)合激光熔覆，最大限度地抑制裂紋的萌生與擴(kuò)展，使熱障涂層更好地發(fā)揮其作用．

2 結(jié) 語(yǔ)

傳統(tǒng)方法制備的熱障涂層在極端環(huán)境下壽命有限，失效形式主要有熱疲勞剝落、固體顆粒沖蝕和高溫氧化等，因此對(duì)熱障涂層進(jìn)行后處理研究十分必要，這不僅可以提高涂層的抗熱震性能、抗固體顆粒沖蝕性能和抗高溫氧化性能等，而且還可以為熱障涂層的工業(yè)化進(jìn)程帶來(lái)極大的生產(chǎn)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值．

激光表面改性技術(shù)具有加工效率高、變形小，以及可實(shí)現(xiàn)局部選區(qū)處理等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，是一種綠色高效的新興技術(shù)．在我國(guó)碳中和、碳達(dá)峰的重大戰(zhàn)略布局下，激光表面改性技術(shù)也是實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)的有效途徑．初步研究證實(shí)激光表面改性技術(shù)對(duì)環(huán)境幾乎沒(méi)有負(fù)面影響，熱障涂層經(jīng)激光表面改性技術(shù)處理后，其耐磨性能、耐腐蝕性、抗沖蝕性能和抗熱震性能等性能得到了明顯的改善．然而，當(dāng)前熱障涂層的激光表面改性研究，特別是激光表面合金化及外加能場(chǎng)復(fù)合激光表面改性的熱障涂層研究尚且不足，仍屬于新興研究領(lǐng)域．研究人員仍需進(jìn)一步探索制備出綜合性能更加優(yōu)異的熱障涂層，系統(tǒng)研究激光表面改性熱障涂層的控形控性關(guān)鍵工藝，通過(guò)材料成分協(xié)同工藝參數(shù)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)熱障涂層的組織結(jié)構(gòu)調(diào)控，促進(jìn)熱障涂層激光表面改性技術(shù)的推廣應(yīng)用．