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激光重熔处理的Al?O?-YAG涂层通过形成致密层状结构，显著提升硬度（23.46 GPa）、抗蠕变性（降低65%）及损伤容限性，有效解决第三代聚光太阳能发电系统高温熔盐腐蚀难题。
Kai Yang|李丽华|彭文涛|傅丽红|王少龙|陈洪飞|艾一昭通|王福新|高彦峰
上海大学材料科学与工程学院，上海，200444，中国
摘要
大气等离子喷涂（APS）制备的Al?O?-YAG非晶涂层在第三代聚光太阳能（Gen3 CSP）系统中显示出潜在的防腐性能，但存在固有的孔隙率、微裂纹和高温结构不稳定性问题。为了克服这些限制，本研究采用激光重熔（LR）后处理策略，将非晶前驱体转化为致密的多层共晶/非晶复合结构。这种独特的结构实现了高硬度、优异的抗蠕变能力和损伤容忍度的协同效应。重熔后的表面层具有23.46 GPa的峰值硬度（约为非晶基体的2.7倍），并且稳态蠕变率降低了近65%。从机理上讲，原位形成的细小共晶网络起到了阻碍位错运动和扩散的作用，显著提高了抗蠕变能力。此外，致密的相界促进了裂纹偏转和桥接等强化机制，用可控的能量耗散模式替代了非晶相的灾难性剪切带失效。这些结果表明，激光重熔的Al?O?-YAG涂层为确保在极端熔盐环境中的长期结构完整性和可靠性提供了有效的解决方案。
引言
第三代聚光太阳能（Gen3 CSP）技术是实现低成本和高效率可再生能源存储的关键途径[1]。为了将平准化电力成本（LCOE）降低到0.05美元/千瓦时以下，并适应高效的超临界CO?布雷顿循环，Gen3 CSP系统的运行温度必须提高到700°C以上[2]。在这些极端条件下，熔融氯化物盐（如MgCl?-KCl-NaCl）因其优异的热稳定性和成本效益而成为首选的热传递和存储介质[3]。然而，由此产生的“腐蚀瓶颈”带来了严峻的技术挑战。特别是核心组件——高温热能储存罐——不仅受到熔融盐的静态化学腐蚀，还受到流体中杂质颗粒的动态侵蚀[4]，[5]。这种“腐蚀-磨损”效应对结构材料造成了严重损害。鉴于镍基超级合金的成本过高以及传统不锈钢的耐腐蚀性不足，开发具有高密度、优异抗蠕变能力和高表面硬度的防护涂层是确保系统长期稳定性的关键策略[6]。
氧化铝（Al?O?）陶瓷因其出色的热力学稳定性而被视为理想的防腐屏障材料[7]，[8]，[9]。然而，传统的多晶氧化铝涂层在高温服役时存在显著局限性。除了大气等离子喷涂（APS）过程中不可避免产生的晶间孔隙和微裂纹[10]，[11]（这些孔隙和裂纹成为熔融盐的渗透通道）外，微观结构中的大量晶界也是主要弱点。这些晶界不仅为腐蚀介质提供了快速的扩散路径，还是晶界滑移的主要发生位置，从而加速了蠕变失效[12]，[13]，[14]。尽管杨等人[15]开发的无晶界非晶Al?O?-YAG涂层在较低温度下表现出良好的性能，但在700°C以上使用时容易发生结晶并伴随体积收缩，导致开裂。此外，当温度接近玻璃转变点时，剪切转变区（STZs）的激活会引发显著的软化，大幅降低涂层的抗蠕变能力[16]，[17]。
尽管Al?O?-YAG共晶的互穿网络结构赋予了其优异的高温机械性能和结构稳定性，但其所需的定向凝固条件与热喷涂过程中固有的快速冷却动力学之间存在根本冲突[18]，[19]，[20]。理论上，要在沉积过程中实现共晶生长，需要将基底加热到接近共晶点的温度（>1500°C）。这种极端的热要求超出了工程金属基底的耐受范围，实际上排除了使用标准热喷涂方法直接制备Al?O?-YAG共晶涂层的可能性[15]，[16]，[17]。因此，采用“非晶前驱体沉积后进行后处理重构”的策略——具体来说是制备具有高非晶含量的涂层，然后将其原位转化为致密共晶结构——成为克服这一制造瓶颈的有效方法。
存在两种主要的后处理策略。第一种是在非晶基体中引入分散的晶相。虽然这种方法简单直接，但传统的炉内退火通常会产生较高的内部应力，并由于热物理不匹配和相变过程中的体积收缩而促进裂纹扩展[21]，[22]，[23]，[24]。热等静压（HIP）可以有效封闭孔隙，但成本较高，可能引起晶粒粗化或涂层剥落，并且对于不可压缩的缺陷（如氧化物夹杂物）效果有限[25]。第二种策略是通过诱导局部表面结晶来构建多层复合结构，同时保持底层非晶基体。这种方法避免了整体内部应力，将结晶表面的高硬度和耐磨性与非晶基体的高温抗蠕变能力结合起来，通过构建这种异质界面有效调节局部应力不匹配，从而显著提高机械可靠性[26]，[27]。然而，其他表面改性技术也有局限性：高能离子束辐照[28]，[29]受到穿透深度和真空要求的限制，而机械方法[30]，[31]，[32]（例如喷丸、滚压抛光）容易在脆性陶瓷中引发裂纹，并且无法消除孔隙或提供结晶所需的热力学条件。
相比之下，激光重熔（LR）具有明显的优势。首先，LR具有极高的能量密度和精确的空间分辨率，能够快速、局部地熔化和再结晶涂层表面层[33]。这一过程有效地修复了喷涂状态下的固有缺陷（如孔隙和裂纹），从而显著提高了表面密度[34]。其次，通过精确控制激光参数，可以实现极高的冷却速率（103–10? K/s）[35]。这使得非晶前驱体能够原位转化为细晶甚至纳米级的共晶结构，实现精确的微观结构工程和性能调节。重要的是，这些表面改性不会损坏底层涂层或基底。因此，LR是一种非常适合制备高性能功能层状复合涂层的技术。
因此，本研究首先使用大气等离子喷涂（APS）制备高非晶含量的Al?O?-YAG涂层，然后通过激光重熔（LR）进行后处理。通过系统地改变激光功率，我们研究了从非晶状态向共晶/非晶复合结构转变过程中的微观结构演变、相组成和机械性能。本研究旨在阐明激光重熔引起的致密化和结晶的潜在机制，揭示由此产生的多层复合结构如何协同结合高硬度、优异的抗蠕变能力和损伤容忍度，从而为第三代聚光太阳能（Gen3 CSP）系统中关键组件的保护提供实验和理论基础。
部分摘录
粉末制备和涂层沉积
使用商业纳米级Al?O?（纯度99.9%，D?? = 92.4 nm）和Y?O?（纯度99.9%，D?? = 78.5 nm）粉末（上海启智新材料科技有限公司提供）作为起始材料；它们的初始形态分别如图1(a)和图1(b)所示。根据共晶组成（82 mol% Al?O?，18 mol% Y?O?）准确称量粉末，并使用氧化锆研磨球和去离子水以2:1:1的重量比进行湿法球磨混合
涂层的微观结构
图2显示了Al?O?/YAG原料粉末、喷涂后的涂层以及激光重熔涂层的XRD图谱。原料粉末显示出强烈的、尖锐的衍射峰，对应于平衡态的α-Al?O?和YAG相。计算结果显示其结晶度高达94.88%，证实了经过高温煅烧后已完全结晶。相比之下，原始喷涂样品（0–0）的XRD图谱显示出明显的非晶散射峰，
总结与结论
本研究系统地研究了激光重熔（LR）对大气等离子喷涂（APS）制备的Al?O?-YAG非晶涂层的影响，特别关注了第三代聚光太阳能（Gen3 CSP）系统在熔融氯化物盐环境中遇到的严重材料挑战。通过深入的微观结构表征和纳米力学测试，得出了以下核心结论：
1.激光重熔成功转化了多孔的非晶涂层，
作者贡献声明
Kai Yang：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。Lihua Li：撰写 – 原始草稿，正式分析，数据管理。Wentao Peng：验证，监督。Lihong Fu：可视化。Shaolong Wang：研究。Hongfei Chen：方法论。Yizhaotong Ai：软件。Fuxin Wang：项目管理。Yanfeng Gao：监督，资源调配。
利益冲突声明
我们声明与提交的工作没有任何可能构成利益冲突的商业或关联利益。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（52471082）和高新技术企业技术研发/服务项目（25JH00086, 24JH00076, 23H01504, 23JH00037）的共同支持。
