一种热障涂层的表面织构及其加工方法与流程

本发明涉及表面工程领域，特别涉及一种热障涂层的表面织构及其加工方法。

背景技术：

目前制备热障涂层的技术主要有等离子喷涂、电子束-物理气相沉积、高速火焰喷涂技术和激光熔覆等。其中等离子喷涂具有工艺成熟、沉积效率高等优点，制备的热障涂层具有“鱼鳞”状的层状结构，但与基材呈结合力较差的机械结合，因基材与粘结层、粘结层与功能涂层间的热不匹配性，在使用过程中易剥落，影响整体寿命。

中国专利公开了一种提高热障涂层与基体结合力的涂层制备方法，采用工业用nicraly复合粉末作为底层，等离子喷涂热障涂层的步骤和以工业用zro2+8y2o3为喷涂粉末，进行等离子喷涂抗氧化层的步骤，并且在等离子喷涂热障涂层的步骤之前，采用飞秒激光对基体即高温合金表面进行微造型，从而提升涂层与基体的结合强度。该技术方案以基体表面的微凹坑阵列作为涂层与基体间的机械锚固点，虽然能一定程度地提升涂层与基体的结合力，但因采用的光斑直径为22μm，并且所制备的微孔深度达30～50μm，即为直径较小的深微孔，该微孔结构并不利于涂层粒子进入，易出现孔隙缺陷；同时，采用飞秒激光制备的微孔虽能获得较优的形貌质量，但微孔边沿及内壁的熔渣缺陷会产生涂层内部的裂纹源，易引发涂层剥落；并且，所采用形貌的复印性能较差，对基体与粘结层间的结合力有优化效果，但并不能有效解决粘结层与功能涂层间结合力差的难题。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种热障涂层的表面织构及其加工方法，选择选择底材与涂层中的特定表面作为织构面，利用多种激光复合加工技术，分多步在织构面上加工规则分布的跨尺度凹凸复合异形形貌，以达到涂层强结合、优化涂层内部应力、抑制涂层裂纹扩展的功效。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种热障涂层的表面织构，将底材与涂层之间的交界面作为织构面，或者将位于所述交界面向涂层内偏移的平面作为织构面，所述织构面上规则分布若干异形形貌。

进一步，所述底材与涂层之间的交界面具体为基体与粘结层之间的交界面或者粘结层与功能涂层之间的交界面。

进一步，设织构面偏移交界面的距离为th，其取值为：

其中：th0＝(1-ob)*th1+ob*th2，layer0＝(1-ob)*layer1+ob*layer2；

当th＝0时，所述织构面为交界面；当th＝th1时，所述织构面为位于涂层内且距交界面距离th1的平面；

其中：th为织构面偏移交界面的距离；

ob为表面织构对象符，当ob＝0时，所述底材与涂层之间的交界面为基体与粘结层之间的交界面；当ob＝1时，所述底材与涂层之间的交界面为粘结层与功能涂层之间的交界面；

nasf为涂层内部织构系数；layer0为单层涂层粒子附着后单层涂层厚度；layer1为粘结层单层粒子附着后单层涂层厚度；layer2为功能涂层单层粒子附着后单层涂层厚度；th0为涂层总厚度；th1为粘结层总厚度；th2为功能涂层总厚度。

进一步，当织构面为基体与粘结层之间的交界面或粘结层与功能涂层之间的交界面或基体与粘结层之间的交界面向粘结层内偏移的平面时，所述异形形貌包括环形微峰台和倾斜的囊状凹坑；所述倾斜的囊状凹坑位于环形微峰台的中心或中心附近；

当织构面为粘结层与功能涂层之间的交界面向功能涂层内偏移的平面时，所述异形形貌为倾斜的囊状凹坑。

进一步，所述异形形貌参数为具体形貌参数为：

所述环形微峰台形貌参数为：

所述倾斜的囊状凹坑形貌参数为：

其中：mor为异形形貌参数集合；morring为环形微峰台的形貌参数集合；morpurse为倾斜的囊状凹坑的形貌参数集合；dr为环形微峰台的环直径；width为环形微峰台的峰台截面宽度；height为环形微峰台的峰台截面高度；

τ为环形微峰台系数，其中，douter为倾斜的囊状凹坑的收口直径；dmiddle为倾斜的囊状凹坑的中部扩展直径；depth为倾斜的囊状凹坑的深度；α为倾斜的囊状凹坑的倾斜斜度；d0为涂层粒子粒度，d0＝(1-ob)*d1+ob*d2；d1为粘结层涂层粒子粒度；d2为功能涂层粒子粒度。

进一步，所述倾斜的囊状凹坑的倾斜角度α与涂层所受热冲击方向一致。

一种的热障涂层的表面织构的加工方法，包括如下步骤：

在织构面上的织构点，通过大能量激光熔凝脉冲laser1沿着织构面法线作用于待织构点；通过广域激光熔凝脉冲laser1_w突破织构面材料的熔化阈值，对织构面材料进行热处理，并形成熔池；通过局部激光烧蚀脉冲laser1_a突破熔池内材料的烧蚀阈值，对熔池内的局部点进行激光烧蚀加工，烧蚀产生的等离子体对熔池产生偏心的反冲压力，使熔质流动，用于形成环形微峰台和倾斜的微囊状凹坑；

通过旋转的粗加工激光烧蚀脉冲laser2_r以α角度进入倾斜的囊状凹坑中，沿着倾斜的囊状凹坑内壁仿形扫描，对倾斜的囊状凹坑进行扩大加工；

通过旋转的精加工激光烧蚀脉冲laser2_f以α角度进入倾斜的囊状凹坑中，沿着倾斜的囊状凹坑内壁仿形扫描，对倾斜的囊状凹坑表面进行细化加工；

通过旋转的小能量激光光饰脉冲laser3以α角度进入倾斜的囊状凹坑中，沿着倾斜的囊状凹坑内壁仿形扫描，对倾斜的囊状凹坑表面进行熔凝修复，用于形成光滑的硬壳。

进一步，所述大能量激光熔凝脉冲为时空域调制的广域激光熔凝脉冲和局部激光烧蚀脉冲形成的组合式激光脉冲，激光参数为laser1＝{laser1_w，laser1_a，χ，ψ}，其中：

其中，δp＝p2-p1；dmor＝(dr+width)+(1-τ)*douter；

所述激光烧蚀脉冲为纳秒/超快激光脉冲组合的脉冲串，包括粗加工激光烧蚀脉冲laser2_r和精加工激光烧蚀脉冲laser2_f，具体参数如下：

所述小能量激光光饰脉冲laser3为小能量的激光熔凝脉冲，具体参数为：

其中：

laser1为大能量激光熔凝脉冲激光参数；laser1_w为广域激光熔凝脉冲激光参数；laser1_a为局部激光烧蚀脉冲激光参数；laser2_r为粗加工激光烧蚀脉冲激光参数；laser2_r为精加工激光烧蚀脉冲激光参数；laser3为小能量激光光饰脉冲激光参数；χ为广域激光熔凝脉冲与局部激光烧蚀脉冲的时域差比例；ψ为广域激光熔凝脉冲与局部激光烧蚀脉冲的空域差比例；plusewidth为激光脉冲脉宽；p为激光脉冲峰值功率；p1为材料熔化阈值；p2为材料烧蚀阈值；δp为材料烧蚀阈值与材料熔化阈值之差；f为激光脉冲输出频率；m²为激光脉冲模式；df为激光脉冲的光斑直径；num为激光烧蚀脉冲中纳秒/超快激光脉冲数量；δt为广域激光熔凝脉冲与局部激光烧蚀脉冲的输出时间差；e为广域激光熔凝脉冲与局部激光烧蚀脉冲的光斑中心间距；dmor为跨尺度凹凸复合异性形貌直径；pulsewidth1_w为广域激光熔凝脉冲的脉冲宽度；为广域激光熔凝脉冲的光斑直径；为局部激光烧蚀脉冲的光斑直径。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的热障涂层的表面织构，所采用的环形微峰台和倾斜的囊状凹坑的复合形貌或者单一的倾斜的囊状凹坑，具备较好的复印能力，同时所选择的织构面兼顾热障涂层的基体与粘结层、粘结层与功能涂层界面，能有效提升涂层与基体的整体结合强度。

2.本发明所述的热障涂层的表面织构，所采用的环形微峰台和倾斜的囊状凹坑的复合形貌分别起到界面切向咬合和法相锚固作用，可大幅提升涂层与基体的结合强度。

3.本发明所述的热障涂层的表面织构，囊状凹坑因激光硬化作用形成硬壳，可作为应力释放空间，能有效提升涂层与基体的结合韧性，优化涂层内部残余应力状态/大小/分布/时效性能，从而抑制涂层裂纹的萌生。

4.本发明所述的热障涂层表面织构的加工方法，采用的大能量激光熔凝脉冲轰击快速形成异形形貌，再通过激光烧蚀脉冲粗/精加工倾斜的囊状凹坑，最后通过小能量激光光饰脉冲修整倾斜的囊状凹坑表面，该制备方案技术成本低、形貌精确度高、形貌质量好。

附图说明

图1为ob＝0,th＝0时，涂层截面图。

图2为ob＝0,th＝th1时，涂层截面图。

图3为ob＝1,th＝0时，涂层截面图。

图4为ob＝1,th＝th1时，涂层截面图。

图5为涂层与基体整体结合的效果图。

图6为涂层内部应力优化效果图。

图7为涂层内部抑制裂纹扩展效果图。

图8为本发明所述的复合形貌外形图。

图9为本发明所述的大能量激光熔凝脉冲图。

图10为本发明所述的激光烧蚀脉冲图。

图11为本发明所述的小能量激光光饰脉冲图。

图12为本发明所述的大能量激光熔凝脉冲加工图。

图13为本发明所述的粗加工激光烧蚀脉冲加工图。

图14为本发明所述的精加工激光烧蚀脉冲加工图。

图15为本发明所述的小能量激光光饰脉冲加工图。

图16为本发明所述的特种激光头加工示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1、图2、图3和图4所述热障涂层的表面织构，将底材与涂层之间的交界面作为织构面，或者将位于所述交界面向涂层内偏移的平面作为织构面，所述织构面上规则分布若干异形形貌。利用多种激光复合加工技术，在织构面上加工规则分布的异形形貌，以达到涂层强结合、优化涂层内部应力、抑制裂纹扩展的功效。所述多种激光复合加工技术为利用大能量激光熔凝脉冲、激光烧蚀脉冲和小能量激光光饰脉冲分别对织构表面进行激光织构加工。

如图5所示，异性形貌为环形微峰台和倾斜的囊状凹坑组成，在底材与涂层间分别起到切向咬合和法向锚固作用，可显著提升底材与涂层间的结合强度；如图6所示，囊状凹坑因激光熔凝作用形成硬壳，作为应力释放空间，可提升底材与涂层结合的结合韧性，优化涂层内部残余应力状态/大小/分布/时效性能，从而抑制涂层内部裂纹的萌生；如图7所示，织构点作为涂层内部裂纹陷阱，可快速捕获裂纹，从而抑制裂纹扩展。

所述底材与涂层之间的交界面具体为基体与粘结层之间的交界面或者粘结层与功能涂层之间的交界面。用ob表面织构对象符，如图1或2所示，当ob＝0时，所述底材与涂层之间的交界面为基体与粘结层之间的交界面；如图3或4所示，当ob＝1时，所述底材与涂层之间的交界面为粘结层与功能涂层之间的交界面。

设织构面偏移交界面的距离为th，其取值为：

其中：th0＝(1-ob)*th1+ob*th2，layer0＝(1-ob)*layer1+ob*layer2；

当th＝0时，所述织构面为交界面；当th＝th1时，所述织构面为位于涂层内且距交界面距离th1的平面；

其中：th为织构面偏移交界面的距离；

ob为表面织构对象符，当ob＝0时，所述底材与涂层之间的交界面为基体与粘结层之间的交界面；当ob＝1时，所述底材与涂层之间的交界面为粘结层与功能涂层之间的交界面；

nasf为涂层内部织构系数；layer0为单层涂层粒子附着后单层涂层厚度；layer1为粘结层单层粒子附着后单层涂层厚度；layer2为功能涂层单层粒子附着后单层涂层厚度；th0为涂层总厚度；th1为粘结层总厚度；th2为功能涂层总厚度。

当th＝0时，织构面为所述织构面为交界面，底材表面先进行激光织构加工，再做涂层处理，如图1和图3所示；所述th＝th1时，织构面为位于涂层内且距交界面距离th1，底材表面先进行th1厚度的涂层处理，接着对涂层表面进行激光微织构加工，最后再进行覆盖涂层处理，如图2和图4所示。

当织构面为基体与粘结层之间的交界面或粘结层与功能涂层之间的交界面或基体与粘结层之间的交界面向粘结层内偏移的平面时，所述异形形貌为环形微峰台和倾斜的囊状凹坑组成的复合形貌；所述倾斜的囊状凹坑位于环形微峰台的中心或中心附近，如图8所示；当织构面为粘结层与功能涂层之间的交界面向功能涂层内偏移的平面时，所述异形形貌为倾斜的囊状凹坑。

所述异形形貌参数为具体形貌参数为：

所述环形微峰台形貌参数为：

所述倾斜的囊状凹坑形貌参数为：

其中：mor为异形形貌参数集合；morring为环形微峰台的形貌参数集合；morpurse为倾斜的囊状凹坑的形貌参数集合；dr为环形微峰台的环直径；width为环形微峰台的峰台截面宽度；height为环形微峰台的峰台截面高度；

τ为环形微峰台系数，其中，

douter为倾斜的囊状凹坑的收口直径；dmiddle为倾斜的囊状凹坑的中部扩展直径；depth为倾斜的囊状凹坑的深度；α为倾斜的囊状凹坑的倾斜斜度，所述倾斜的囊状凹坑的倾斜角度α与涂层所受热冲击方向一致；d0为涂层粒子粒度，d0＝(1-ob)*d1+ob*d2；d1为粘结层涂层粒子粒度；d2为功能涂层粒子粒度。

一种的热障涂层的表面织构的加工方法，包括如下步骤：

如图12所示，在织构面上的织构点，通过大能量激光熔凝脉冲laser1沿着织构面法线作用于待织构点；通过广域激光熔凝脉冲laser1_w突破织构面材料的熔化阈值，对织构面材料进行热处理，并形成熔池；通过局部激光烧蚀脉冲laser1_a突破熔池内材料的烧蚀阈值，对熔池内的局部点进行激光烧蚀加工，烧蚀产生的等离子体对熔池产生偏心的反冲压力，使熔质流动，用于形成环形微峰台和倾斜的微囊状凹坑；

如图13所示，采用粗加工激光烧蚀脉冲laser2_r，利用特种激光头引导激光脉冲以α角度进入倾斜的囊状凹坑中，特种激光头的同轴旋转电机同轴旋转，带动脉冲激光旋转，同时高精度偏摆单元对末端激光进行偏摆扫描，并且激光器中的动态聚焦模块进行焦点位置补偿，使得粗加工激光脉冲laser2_r沿着倾斜的囊状凹坑内壁仿形扫描，对倾斜的囊状凹坑进行扩大加工；

如图14所示，利用特种激光头采用同样的加工方法，通过旋转的精加工激光烧蚀脉冲laser2_f以α角度进入倾斜的囊状凹坑中，沿着倾斜的囊状凹坑内壁仿形扫描，对倾斜的囊状凹坑表面进行细化加工；

如图15所示，利用特种激光头采用同样的加工方法，通过旋转的小能量激光光饰脉冲laser3以α角度进入倾斜的囊状凹坑中，沿着倾斜的囊状凹坑内壁仿形扫描，对倾斜的囊状凹坑表面进行熔凝修复，用于形成光滑的硬壳。

所述大能量激光熔凝脉冲为时空域调制的广域激光熔凝脉冲和局部激光烧蚀脉冲形成的组合式激光脉冲，如图9所示，激光参数为laser1＝{laser1_w，laser1_a，χ，ψ}，其中：

其中，δp＝p2-p1；dmor＝(dr+width)+(1-τ)*douter；

所述激光烧蚀脉冲为纳秒/超快激光脉冲组合的脉冲串，包括粗加工激光烧蚀脉冲laser2_r和精加工激光烧蚀脉冲laser2_f，如图10所示，具体参数如下：

所述小能量激光光饰脉冲laser3为小能量的激光熔凝脉冲，如图11所示，具体参数为：

其中：

laser1为大能量激光熔凝脉冲激光参数；laser1_w为广域激光熔凝脉冲激光参数；laser1_a为局部激光烧蚀脉冲激光参数；laser2_r为粗加工激光烧蚀脉冲激光参数；laser2_r为精加工激光烧蚀脉冲激光参数；laser3为小能量激光光饰脉冲激光参数；χ为广域激光熔凝脉冲与局部激光烧蚀脉冲的时域差比例；ψ为广域激光熔凝脉冲与局部激光烧蚀脉冲的空域差比例；plusewidth为激光脉冲脉宽；p为激光脉冲峰值功率；p1为材料熔化阈值；p2为材料烧蚀阈值；δp为材料烧蚀阈值与材料熔化阈值之差；f为激光脉冲输出频率；m²为激光脉冲模式；df为激光脉冲的光斑直径；num为激光烧蚀脉冲中纳秒/超快激光脉冲数量；δt为广域激光熔凝脉冲与局部激光烧蚀脉冲的输出时间差；e为广域激光熔凝脉冲与局部激光烧蚀脉冲的光斑中心间距；dmor为跨尺度凹凸复合异性形貌直径；pulsewidth1_w为广域激光熔凝脉冲的脉冲宽度；为广域激光熔凝脉冲的光斑直径；为局部激光烧蚀脉冲的光斑直径。

如图16所示，所述特种激光头包括同轴旋转电机、特种激光头壳体、高精度光束偏摆单元和聚焦模块，所述特种激光头壳体同轴安装在同轴旋转电机上，所述高精度光束偏摆单元和聚焦模块安装在特种激光头壳体中，外部机械运动机构通过夹持同轴旋转电机带动特种激光头运动，外部光纤接头同轴连接在同轴旋转电机上，激光器的输出激光脉冲通过光纤传输到特种激光头中，激光脉冲经聚焦模块、高精度光束偏摆单元作用于材料表面，控制系统通过控制同轴旋转电机旋转、高精度光束偏转单元、激光器中的动态聚焦模块实现激光焦点的三维曲面内壁的扫描式加工。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。