利用准分子激光抛光技术构建无裂纹双层表面结构协同增强热障涂层性能

本文创新性地采用KrF准分子激光（248 nm）对等离子喷涂氧化钇稳定氧化锆（YSZ）热障涂层（TBCs）进行表面抛光，首次实现无裂纹致密层与纳米颗粒沉积层的双层结构构建。该技术通过精准调控激光能量密度（>1 J/cm2），使涂层在高温腐蚀（CMAS）、氧化（TGO生长）和热循环等极端环境下表现卓越：CMAS腐蚀后t'-ZrO2→m-ZrO2相变降低41.4%，1050℃氧化200小时后TGO厚度减少36.2%，热循环寿命意外提升70.7%。纳米颗粒层通过生成Ca3ZrSi2O9实现自修复机制，为航空发动机涂层缺陷密封提供了新范式。

　　

Highlight

本研究通过248 nm KrF准分子激光成功制备无裂纹激光抛光8YSZ热障涂层（TBCs），关键发现如下：

结论1

当激光能量密度超过1 J/cm²时，抛光表面形成独特的双层结构——底部为无裂纹柱状凝固层，顶部为纳米颗粒沉积层。值得注意的是，该工艺未引发亚稳态四方相t'-ZrO₂向单斜相m-ZrO₂的相变。

结论2

与传统喷涂涂层相比，具有双层结构的抛光涂层展现出协同增强效应：

• •

  CMAS腐蚀后t'-ZrO₂→m-ZrO₂相变量减少41.4%

• •

  1050℃氧化200小时后热生长氧化物（TGO）层厚度降低36.2%

• •

  热循环寿命显著延长70.7%

作用机制

无裂纹致密层有效阻隔氧气和CMAS熔盐渗透，而表面纳米颗粒层通过两种途径发挥保护作用：

1）与CMAS反应生成Ca₃ZrSi₂O₉（作为牺牲相）

2）动态修复新生微裂纹，形成"自愈装甲"效应

该技术不仅提升了TBCs的高温性能，更为其他涂层的缺陷密封与优化提供了普适性解决方案。