1.背景介紹

鎳基高溫合金因其在高溫下優異的機械性能而被廣泛應用于高溫部件。隨著航空航天技術的飛速發展，高端裝備對部件性能的要求逐步提高，高性能涂層材料的開發變得尤為重要。在眾多材料中，氧化物陶瓷憑借其高熔點、高強度以及低的熱導率和熱膨脹系數，成為金屬部件表面熱防護與性能強化的理想選擇。熔體生長的氧化物共晶陶瓷在超高溫環境中表現出優異的組織和性能穩定性，這種卓越的性能主要源于其獨特的耦合生長三維網狀凝固共晶組織和共晶相界面之間極低的應變能。氧化鋁基共晶自生復合陶瓷具有高熔點、低密度、抗氧化、良好的高溫力學性能、優異的組織和性能熱穩定性等特點，有望成為超高溫氧化性環境中長期服役的新一代結構材料。氧化物陶瓷涂層能夠顯著提升基體的耐磨性、耐腐蝕性以及高溫抗氧化性能，因此在航空航天、化工機械等領域展現出巨大的應用潛力。

目前，制備氧化物陶瓷涂層的常用方法包括自蔓延高溫合成（SHS）、化學氣相沉積（CVD）、熱噴涂、等溫化學氣相滲透（ICVI）以及激光選區熔化（LPBF）。每種技術均具有其獨特的優勢與不足。例如，SHS工藝簡單、節能且生產周期短，但對原材料純度要求較高，且快速冶金反應的精確控制較為困難。CVD技術能夠制備高純度、致密的陶瓷涂層，但設備成本高且生產效率相對較低。熱噴涂因其高效率和操作便捷而受到廣泛關注，但涂層通常存在高孔隙率和較低結合強度的問題。激光增材制造技術通過在基體上快速熔化和凝固材料，形成適用于表面強化和部件修復的涂層。快速凝固過程能夠促進晶粒細化與微觀結構的均勻化，從而提升涂層的硬度、耐磨性和結合強度。

然而，由于陶瓷涂層與金屬基體之間直接結合易導致潤濕性差、裂紋及孔隙等缺陷，其在苛刻工作環境中的應用受到限制。為了解決這一問題，在金屬基體與陶瓷涂層之間添加結合層可以有效緩解金屬與陶瓷材料之間的熱膨脹失配。鎳基合金因其高熱導率、良好的延展性以及介于金屬和陶瓷之間的熱膨脹系數，常作為涂層的中間層材料。另外在激光增材制造過程中，不同激光波長對金屬和陶瓷材料的吸收率存在顯著差異。例如，氧化鋁陶瓷對1.06 μm激光波長的吸收率僅為3%，而對長波長CO2激光的吸收率可高達96%。相比之下，鎳基合金在10.6 μm激光波長下的吸收率為51%，但在較短的1.06 μm激光波長下可提高至72%。因此，本研究充分利用不同材料在各種激光條件下的吸收特性，并采用短波長光纖激光器與長波長CO2激光器協同優化制備金屬-陶瓷梯度共晶復合涂層。

2.成果介紹

近日，西北工業大學蘇海軍教授團隊報道了一種新穎的一體化激光粉末床熔融制備方法，在高溫合金基體上直接制備了具有納米級微結構的高質量超高溫氧化物共晶陶瓷涂層。該方法利用材料吸收率的差異，創新性地結合了兩種不同波長的激光源：短波長光纖激光器制備IN718高溫合金基體及NiCoCrAlY結合層，長波長CO2激光器制備陶瓷涂層。利用有限元數值模擬方法輔助優化高溫合金-陶瓷涂層復合材料制備，揭示涂層制備過程中溫度場和應力場的分布特征。本研究提出的LPBF方法為解決高溫合金基體上氧化物共晶陶瓷涂層的制備提供了創新解決方案，并在高溫材料設計及多材料復合制備中展現出重要的應用潛力。相關工作“Synergistic dual-scale laser beams for fabricating high-temperature eutectic ceramic coatings with nano microstructures via LPBF”發表在Journal of Materials Science & Technology, 2025。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.01.060

3.圖文解析

圖1展示了LPBF制備陶瓷涂層的工藝流程。首先，利用光纖激光LPBF系統制備IN718合金。粉末材料通過氣體霧化法制備，呈球形，粒徑范圍為5-45 μm。光纖激光器的波長為1.07 μm，光斑直徑為75 μm。隨后在LPBF制備的IN718基體上鋪設粉末以制備NiCoCrAlY結合層。加工完成后，將LPBF制備的梯度合金試樣取下，超聲清洗并干燥。接著，采用波長為10.6 μm的CO2激光逐層沉積陶瓷涂層。陶瓷粉末由噴霧造粒法制備，具有共晶配比和球形形貌。

圖1 LPBF制備共晶復合陶瓷涂層示意圖: (a) 光纖激光加工IN718粉末; (b) IN718基底示意圖; (c) 光纖激光加工NiCoCrAlY粉末; (d) IN718基底上制備結合層; (e) CO2激光加工陶瓷粉末; (f) IN718-NiCoCrAlY基底上制備氧化物共晶陶瓷涂層; (g) 共晶陶瓷復合涂層; (h) 陶瓷涂層縱截面; (i) 涂層制備過程有限元數值模擬

圖2展示了不同基底材料對LPBF陶瓷涂層制備過程中的溫度場影響規律。在金屬基底上加工第一層三元共晶陶瓷涂層過程中，熔池體積均較小，整體溫度較低。在Al2O3陶瓷基底上呈現顯著的熱積累效應，熔池體積較大且峰值溫度更高。五層加工后，高溫區基本擴展到沉積層的整個表面。添加NiCoCrAlY結合層的陶瓷涂層制備過程中，其沉積層表面的熱影響區顯著減小，熱量快速散失。隨層數增加，溫度變化幅度先增加后減小，逐漸趨于穩定。加入NiCoCrAlY結合層后溫度梯度和冷卻速率相對較低，分別為2.64 × 106 K/m和1.9 × 104 K/s，有助于緩和加工過程中熱積累效應，穩定加工過程。

圖2 不同基底上通過LPBF工藝制備氧化鋁基共晶陶瓷涂層的溫度場分布: (a-a2) 304不銹鋼; (b-b2) Al2O3陶瓷; (c-c2) IN718合金; (d-d2) NiCoCrAlY粘結涂層; (a-d)第一層; (a1-d1) 第五層; (a2-d2) 不同時間下相同位置處的溫度分布。

圖3展示了不同基底上LPBF陶瓷涂層制備過程中的應力分布。NiCoCrAlY結合層表面的應力最小，在緩解陶瓷涂層與基底之間的熱失配應力方面具有顯著效果。對于304不銹鋼、Al2O3和IN718基體上的陶瓷涂層，最大主應力和剪切應力呈現先增加后減少的趨勢，從第三層開始應力幅值逐漸降低。垂直于單道掃描方向縱截面上的剪切應力主要表現為拉應力，且幅值相對較大，容易誘發并加劇裂紋偏轉。

圖3 LPBF不同基底材料上制備AGZE陶瓷涂層的應力分布: (a-a2) 304不銹鋼基底; (b-b2) Al2O3陶瓷基底; (c-c2) IN718合金基底; (d-d2) NiCoCrAlY結合層基底; (a-d) 第一層應力分布; (a1-d1) 第五層應力分布; (a2-d2) 相同位置不同時間下的應力分布。

圖4展示了不同工藝下涂層試樣形貌。隨著掃描速率的增加，整體表面粗糙度呈現下降趨勢。當掃描速率為200 mm/s時，粗糙度為0.82 μm。當掃描速度提高至300 mm/s時，表面粗糙度降至0.47 μm。隨著掃描速率的繼續增加，LPBF加工過程中出現顯著的球化現象，隨著沉積層數的增加，球化缺陷成為應力集中點，進一步導致翹曲、開裂及分層等缺陷。將激光體積能量密度控制在80-133 J/mm3范圍內，有助于制備均勻且平滑的氧化鋁基共晶陶瓷涂層。

圖4 LPBF不同工藝參數下制備的共晶陶瓷涂層的宏觀形貌: (a, i) 200 W 150 mm/s; (b, j) 200 W 200 mm/s; (c, k) 200 W 250 mm/s; (d, l) 200 W 300 mm/s; (e) 250 W 200 mm/s; (f) 250 W 250 mm/s; (g) 250 W 300 mm/s; (h) 250 W 350 mm/s; (a1) 250 W 100 mm/s; (b1) 200 W 250 mm/s; (c1) 150 W 300 mm/s; (d1) 250 W 200 mm/s

圖5展示了陶瓷涂層與基底的界面處裂紋形貌特征。采用層間90°旋轉的掃描策略，裂紋主要集中在涂層與基底界面，以垂直和偏轉裂紋為主，隨沉積層數的增加，裂紋擴展逐漸受到抑制。引入NiCoCrAlY結合層，顯著減少了裂紋數量。最大主應力分布顯示，涂層底部無結合層時主應力始終最高，其次是采用層間旋轉策略的涂層，而帶有結合層的涂層底部主應力水平最低。這表明層間旋轉策略和結合層均能有效降低涂層底部的應力集中。層間旋轉策略后，垂直于掃描方向的軸向應力更加顯著。縱截面上的剪切應力是裂紋偏轉的主要驅動力。

圖5 制備的共晶陶瓷涂層縱截面的形貌: (a) 無結合層; (b) 無結合層且涂層旋轉90°; (c) 含NiCoCrAlY結合層; (a1-c1) 對應的溫度與應力分布; (a2-c2) 不同策略下最大主應力（σxx）與剪切應力（τxy）的對比分析。

圖6所示陶瓷涂層與金屬基底之間呈現出清晰的界面，未觀察到明顯的間隙或分離現象，表明兩種材料之間形成了良好的冶金結合。線掃描EDS分析表明，從陶瓷涂層過渡到金屬基底時，Ni、Cr、Fe和Mo的濃度顯著增加，而O、Zr、Gd和Al的濃度則明顯降低。Y元素含量略有下降，B和Ti的含量則保持相對穩定，在界面處Gd含量出現急劇下降，表明Gd發生了偏析和富集，可能形成了GAP初生相。圖像顯示陶瓷涂層與金屬基底之間存在約1 μm寬的元素擴散區。

圖6 通過LPBF制備的AGZE共晶陶瓷涂層的EDS圖像: (a) 涂層的截面SEM; (b-l) 各元素( B, Ti, Mo, Ni, Cr, Fe, Y, O, Zr, Gd, Al)元素分布圖; (m) EDS線掃描陶瓷涂層SEM圖像; (n) 沿Line-1的EDS線掃描元素分布圖

圖7展示了涂層結合強度。150 W激光功率下制備的陶瓷涂層，其結合強度約為7.48 N。隨著激光功率的增加，涂層的結合強度呈上升趨勢。當激光功率增加至200 W和250 W，涂層的結合強度分別達到10.8 N和10.6 N。較高的激光功率促進了涂層材料的熔化和擴散，加強與基底的冶金結合。采用90°旋轉的層間掃描策略，優化加工工藝，可以顯著提高涂層的結合強度，達到29.3 N。綜合采用參數優化、掃描策略優化以及結合層厚度設計等多種方法可以有效提高陶瓷涂層的結合強度。

圖7 LPBF制備的共晶陶瓷涂層的結合強度: (a) 試樣加工功率150 W; (b) 150 W, 且相鄰層之間旋轉90°; (c) 功率為175 W; (d) 功率為175 W, 且相鄰層之間旋轉90°

4.結論與展望

本研究成功利用兩種不同的激光源，直接制備了一種新型梯度高溫合金-氧化物共晶陶瓷涂層復合材料。通過高精度光纖激光器加工IN718高溫合金基底和NiCoCrAlY結合層，隨后利用高功率CO2激光在結合層上制備自生復合氧化物共晶陶瓷涂層。該方法能夠高效靈活地制備各種尺寸和幾何形狀的涂層，并獲得光滑涂層表面，表面粗糙度約0.61 μm。本研究開發的創新性高溫合金-氧化物共晶陶瓷復合涂層制備方法，為直接一體化制備復雜結構高溫合金部件熱障涂層提供了新途徑。

5.通訊作者簡介

蘇海軍，西北工業大學長聘二級教授、博士生導師。國家級領軍人才，國家優青，中國有色金屬創新爭先計劃獲得者。入選國家首批“香江學者”計劃、陜西省“青年科技新星”、陜西省冶金青年科技標兵、陜西省金屬學會優秀科技工作者，擔任陜西高校青年創新團隊學術帶頭人、陜西重點科技創新團隊帶頭人和先進高溫合金陜西省高校重點實驗室主任。長期從事先進定向凝固技術與理論及新材料研究，涉及高溫合金、高熵合金、超高溫復合陶瓷、生物陶瓷、鈣鈦礦太陽能電池、結構功能一體化復合材料以及定向凝固與增材制造技術等。主持包括國家重點研發計劃項目，國家自然基金重點、優青等7項國家基金在內的30余項國家級重要科研項目，在Nano Energy，Advanced Functional Materials，Nano Letters，Composites part B: engineering，Additive manufacturing等知名期刊發表論文200余篇。獲授權中國發明專利60余項以及3項美國發明專利。參編專著3部。獲陜西省科學技術一等獎、二等獎，中國交通運輸協會科學技術二等獎，寧波市科技進步一等獎，陜西高校科學技術研究優秀成果特等獎，陜西省冶金科學技術一等獎，全國有色金屬優秀青年科技獎和陜西青年科技獎各1項

本文來自公眾號“材料科學與工程”，感謝論文作者團隊支持。