可控的熔融流动驱动激光纹理化技术，用于实现YSZ涂层在超合金表面上的可预测界面粘附性能

《Optics & Laser Technology》：Controllable melt-flow-driven laser texturing for predictable interfacial adhesion of YSZ coatings on superalloys

薄层材料在柔性电子、航天及军事组件中广泛应用，但其粘附能常因颗粒侵蚀和热循环导致CTE失配而受损。本研究通过精准调控激光诱导熔融流技术制备分形微纳米纹理表面，建立基材相图与薄膜形貌叠加的预测框架，经纳米划痕测试验证，优化纹理可使粘附能提升超300%，同时保持基材完整性，为高温工况下热障涂层可靠性设计提供新策略。

　　

陈向宇|马月|朱建勤|陶志|邱璐

北京航空航天大学能源与动力工程学院，中国北京

摘要

薄膜材料广泛应用于柔性电子、航空航天和军事组件等关键系统中。然而，由于热膨胀失配等原因，它们的粘附性能常常受到颗粒侵蚀和热循环的影响而降低。本研究采用精确控制的激光诱导熔融流动技术来制造分层微纳结构表面。该过程基于一个预测框架，该框架将基底相图与薄膜形态图叠加在一起。这一框架的可信度通过胶带剥离测试数据、纳米划痕粘附测量结果以及耦合理论预测器得到了验证。实验表明，表面纹理控制着接触面积与缺陷密度之间的权衡。优化后的表面纹理显著提高了热循环寿命和粘附性能，这一点通过纳米划痕测试得到了证实。这种方法为设计在热和机械载荷下具有增强耐用性的热障涂层提供了一种新策略。

引言

高性能超级合金因其优异的热稳定性而被广泛应用于航空发动机涡轮和核电站的热部件中[1]、[2]。为了提高其表面硬度和耐腐蚀性，通常会将超级合金与陶瓷薄膜结合使用[3]、[4]、[5]，尤其是高韧性和高稳定性的氧化钇稳定氧化锆（YSZ）薄膜[6]、[7]、[8]。然而，超级合金与功能陶瓷薄膜在极端环境下的界面存在显著挑战[9]、[10]。因此，提高功能陶瓷薄膜与超级合金之间的界面粘附性能是提高其在高温条件下使用寿命的关键[11]、[12]。

提高超级合金与陶瓷薄膜之间粘附性能的传统方法包括制备中间层或功能梯度材料，以减轻由于热膨胀系数（CTE）不匹配引起的界面应力[11]、[13]、[14]。例如，杨等人开发了一种NiCrAlY中间层来缓解镍基超级合金与YSZ涂层之间的突然CTE变化[15]，郭等人设计了一种基于珐琅的复合中间层来降低镍合金与YSZ薄膜之间的高界面应力[16]。然而，引入这种梯度中间层会增加薄膜层数以及制备和界面配置的复杂性，从而带来新的挑战。此外，最近的研究中越来越多地报告了梯度中间层的开裂问题[5]、[17]、[18]。

激光表面纹理技术的最新进展，特别是对金属表面的精确改性，彻底改变了材料工程[19]、[20]、[21]。例如，激光表面纹理技术能够在微观尺度上精确控制基底形貌[22]。通过创建阵列、沟槽或分层结构等定制表面特征，激光处理增强了机械互锁并促进了化学键合[23]、[24]。尽管这种方法在粘附应用中取得了成功，但其应用于薄膜-基底系统的潜力仍有待探索。应系统研究激光参数、表面形态和粘附性能之间的定量关系，以充分发挥这项技术的潜力[20]、[21]。

本研究建立了一个用于超级合金基底激光表面纹理处理的综合框架。开发了预测模型，将激光能量密度（E_d）与关键形态特征（包括纹理尺寸、表面粗糙度和图案几何形状）相关联。基于基底形态和沉积薄膜的形态，利用两相图叠加的方法建立了纹理参数优化方法。然后通过实验研究了这些工程化表面如何影响喷墨打印陶瓷薄膜的粘附性能和热循环寿命。值得注意的是，与未经处理的表面相比，优化的激光处理使界面韧性提高了300%以上，这一点通过纳米划痕测试得到了证实，同时保持了基底的完整性。

实验方法

本研究遵循一个顺序的实验流程，包括激光表面纹理处理、YSZ薄膜沉积、微观结构和化学表征以及性能评估。虽然整体处理流程——特别是激光纹理处理和薄膜制备程序——与我们之前的工作相似[25]，但本研究引入了重要的修改和新设计策略，这些将在以下部分详细说明。

在激光纹理处理方面，

激光参数对纹理表面形态的影响

激光参数是改变纹理基底形态的基础[26]、[27]。本研究探讨了激光功率（P）和扫描速度（v）对表面特征（特别是宽度（w）和深度（d）的影响。在激光功率（P）恒定为35 W的情况下，研究了不同扫描速度（v，范围为100–1000 mm/s，以250 mm/s为增量）下的表面形态（图1a）。随着扫描速度v的增加，深度d持续减小。与深度d不同，宽度w在v = 100 mm/s时达到最小值。

结论

本文阐明了激光表面纹理处理对超级合金基底的影响，并建立了激光参数（包括激光功率、扫描速度和扫描次数）与最终沟槽形态之间的基本关系。我们还推导出了激光能量密度（E_d = P/vD）与沟槽尺寸之间的定量关联，并开发了用于精确预测形态的经验公式。此外，还探讨了多种用于二维表面的激光处理策略

关于写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本论文期间，作者使用了Deepseek V3工具来提升语言表达和可读性。使用该工具后，作者对内容进行了必要的审阅和编辑，并对出版物的内容负全责。

CRediT作者贡献声明

陈向宇：撰写初稿、方法论设计、实验研究、资金申请、数据分析、概念构思。马月：方法论设计、数据分析。朱建勤：结果验证、项目监督、资源协调。陶志：项目监督、资源协调、项目管理。邱璐：撰写与编辑、方法论设计、资金申请、数据分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本项目（项目编号：523B2005和52476047）得到了国家自然科学基金的支持。