低功率脉冲激光重熔抑制HVOF喷涂MCrAlY粘结层尖晶石混合氧化物形成研究

《Corrosion Communications》：Suppressing formation of spinel mixed oxides on HVOF MCrAlY bond coat via a low-power pulsed-laser remelting treatment

本研究针对热喷涂MCrAlY粘结层表面弱结合飞溅颗粒导致高温氧化过程中形成有害混合氧化物的问题，提出了一种创新的低功率脉冲激光重熔处理技术。研究人员通过优化激光参数（功率100W，频率150kHz）实现了2-3μm浅表层重熔，在完全消除飞溅颗粒的同时保持粘结层表面粗糙度不变。结果表明，经处理的CoNiCrAlY/NiCoCrAlY粘结层在1000°C/400h和1100°C/200h氧化后仅生成致密α-Al2O3层，显著提升了热障涂层服役寿命。该技术为燃气轮机热障涂层提供了一种常温环境可行的表面改性方案。

　　

在燃气轮机高温部件防护领域，热障涂层（Thermal Barrier Coatings, TBCs）犹如一件"隔热盔甲"，通过陶瓷顶层（YSZ）和金属粘结层（MCrAlY）的协同作用，将超合金基底与高温环境隔离。然而这件"盔甲"的致命弱点恰恰存在于其核心界面——粘结层表面形成的热生长氧化物（Thermally Grown Oxide, TGO）。当TGO厚度超过6μm临界值时，涂层会像蛋壳般脆性剥落，导致涡轮叶片直接暴露于上千摄氏度的高温中。

问题的根源在于热喷涂工艺固有的"飞溅效应"。如同雨滴撞击地面会溅起微小水珠，高速飞行的熔融MCrAlY颗粒撞击基体时，会迸发出大量亚微米级飞溅颗粒。这些"不速之客"松散地附着在涂层表面，在高温服役时因铝元素供应不足而迅速氧化成尖晶石型混合氧化物（如(Ni,Co)(Cr,Al)₂O₄），其生长速率比理想的α-Al₂O₃层快数十倍，犹如在涂层界面埋下了"应力炸弹"。

西安交通大学研究团队在《Corrosion Communications》发表的创新研究，提出了一种堪称"激光绣花"的精密处理技术。通过低功率脉冲激光对高压高速氧燃料（High-Velocity Oxygen Fuel, HVOF）喷涂的MCrAlY粘结层进行表面重熔，在微观尺度上实现了对飞溅颗粒的精准清除，为解决这一行业难题开辟了新路径。

关键技术方法包括：采用100W脉冲激光器，通过60°倾斜角三遍旋转扫描策略（每遍旋转120°）实现全表面覆盖；使用红外热像仪监控表面温度场；通过扫描电镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）和能谱分析（EDS）表征微观结构；在1000°C/400h（CoNiCrAlY）和1100°C/200h（NiCoCrAlY）条件下进行等温氧化实验评估性能。

3.1 喷涂态HVOF MCrAlY涂层微观结构

扫描电镜显示涂层表面密布1-2μm的飞溅颗粒（图3a-d），这些颗粒与基体结合薄弱，截面观察可见明显界面间隙。虽然涂层本体致密（孔隙率0.5%），但表面飞溅颗粒成为氧化薄弱环节。

3.2 脉冲激光重熔处理对粘结层表面特性的影响

3.2.1 脉冲激光辐照条件优化

通过氧化钢板实验确定150kHz为最佳频率，此时激光斑点覆盖率69.7%且熔化质量均匀（图4）。三遍旋转扫描策略成功解决了半熔融颗粒遮挡导致的"阴影效应"（图5），红外热像显示表面峰值温度仅58.3℃（图6），对基底热影响可忽略。

3.2.2 激光重熔处理对粘结层表面特性的影响

重熔处理后飞溅颗粒完全消失，表面呈现光滑曲面（图7d）。EBSD分析显示重熔区形成厚度2.7μm的细晶层（平均晶粒尺寸0.89μm），而未重熔区晶粒尺寸为3.17μm（图8）。重要的是，表面粗糙度Ra值从12.98μm变为12.86μm，变化可忽略（图9），保证了与陶瓷顶层的机械互锁能力。

3.3 低功率脉冲激光重熔对粘结层氧化行为的影响

预氧化处理后（1080°C/4h，真空度10^-2-10^-3Pa），激光处理样品形成均匀的0.2μm厚α-Al₂O₃层（图10d,f），而未处理样品出现局部厚氧化区和内氧化产物。等温氧化测试表明，激光处理样品质量增加更慢（图11），且400h后仅生成单一α-Al₂O₃，而未处理样品出现10μm厚混合氧化物凸起（图12k）。EDS和XRD证实激光处理样品仅含Al₂O₃，而未处理样品检测到(NiCo)(CrAl)₂O₄尖晶石相（图13-14）。

3.4 HVOF喷涂NiCoCrAlY粘结层的验证

在NiCoCrAlY体系重复实验获得一致结果：激光处理后在1100°C/200h氧化仍保持均匀α-Al₂O₃层（图16e-g），而未处理样品4h即出现混合氧化物（图16a）。宏观形貌显示未处理样品呈深蓝色（混合氧化物特征），而处理样品为纯黑色（α-Al₂O₃特征）（图16d,h）。

研究通过机理分析（图17）揭示：传统喷涂样品中，飞溅颗粒在氧化初期即被α-Al₂O₃包裹，阻断铝扩散通道，最终导致尖晶石氧化物形成；而激光重熔使飞溅颗粒与基体形成冶金结合，确保铝元素持续供应，维持保护性氧化膜稳定性。

该研究创新性地实现了"微米级精准表面手术"，在完全不损害粘结层粗糙度的前提下根除了混合氧化物萌生源。相比需要1100°C高温扩散的传统工艺，这种常温处理技术更适用于实际叶片修复，为提升燃气轮机热障涂层服役寿命提供了重要技术支撑。特别是针对陆地发电机组中热循环较少但氧化严重的工作场景，该技术通过抑制TGO异常生长，有望将涂层寿命提升数倍，对保障能源装备安全运行具有重大工程价值。