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4、激光制备热障涂层
目前制备热障涂层的常用方法主要为APS、LPPS和EB-PVD。APS制备设备简单，形成层状等轴晶显微组织，热导率低，适合喷涂较大尺寸的零件。但喷涂过程中容易氧化，不适合喷涂复杂工件。涂层与基体的结合力差，易剥落。EB-PVD在真空条件下进行，形成柱状晶显微结构，热循环寿命长。制备的陶瓷层与金属粘结层为化学结合，结合力高但国内EB-PVD设备主要依靠进口，价格昂贵，操作系统复杂，工艺时间相对较长，技术难度大，严重限制了我国热障涂层技术的发展。
激光重熔工艺是获得理想的单一柱状晶结构TC层的有效途径，因此，激光制备热障涂层受到关注。由于热障涂层的主要应用对象之一是涡轮叶片，激光增材制造技术的应用可能是以后热障涂层制备的重要技术发展方向之一。采用激光增材制造技术制备YSZ热障涂层能突破复杂零件的限制，在惰性气体保护下成形，减少杂质的混入和氧化。对热障涂层材料进行精细成分和结构设计，实现涂层梯度复合，可改善涂层的抗高温氧化和抗热震性能，展现出新的生命力和应用前景。
早在20世纪80年代末，E.Vandehaar等曾经通过激光熔覆方法在Udimet700合金和AISI4140钢基体上成功地制备了YSZ和Al2O3热障涂层，通过控制工艺参数得到5~15μm氧化锆熔覆层，熔覆层表面致密，硬度可达800~1700HV0.2，无裂纹，微观结构良好并有优异的粘结性。遗憾的是在制备更厚的热障涂层时易产生裂纹、分层和剥落，还达不到YSZ热障涂层正常工作厚度（约100～500μm）需求。
20世纪90年代初，K.M.JASIM等采用2KW的CO2激光器在低碳钢基体上熔覆YSZ和纯Al2O3两种热障涂层，通过控制工艺参数可以控制涂层形貌，得到柱状晶组织，激光熔覆得到的表面硬度（1500HV）比等离子喷涂得到的表面硬度（800HV）高出约1倍。
进入21世纪后，研究激光制备热障涂层报道逐渐增多。J.H.Ouyang等[28]通过激光熔覆方法在16MnCr5基体上制备7%（wt）YSZ涂层，得到的组织主要由四方相和一些立方相组成，涂层底部为平面晶，中间为粗糙柱状晶，最顶部为精细等轴晶。
激光重熔ZrO2层可获得理想的单一柱状晶结构。扫描电镜观察发现，激光重熔ZrO2层得到的柱状晶组织与EB-PVD工艺得到的特征基本相同。热导率大约相当于镍基合金基体的1/30，涂层隔热效果十分明显，也减少了由于基体与热障涂层热膨胀系数不同所产生的热应力，这种方法在一定程度上为替代设备要求极高的EB-PVD工艺提供了可能。
热障涂层工作承受高温的同时，还受到高速气流中粉尘、砂粒等固体颗粒的冲蚀。对比等离子喷涂和激光重熔7%（wt）YSZ热障涂层的微观结构及其抗冲蚀性能时发现，激光重熔得到的柱状晶结构比等离子喷涂陶瓷层的层状堆积结构有更好的抗冲蚀性能。等离子喷涂层的冲蚀磨损机制以片层状脱落为主，伴有一定程度的脆性陶瓷颗粒破碎，而激光重熔试样以近表面的裂纹萌生扩展最终导致重熔层晶粒破碎，剥离为主。
激光熔覆方法也可用于粘结层的制备。M.J.Tobar等[31]在不锈钢基体上通过激光熔覆得到致密的MCrAlY涂层。1100℃下进行200h高温氧化试验结果表明，激光熔覆NiCoCrAlY涂层氧化增重量为无涂层基体1/50，抗氧化效果明显，除了等离子喷涂和超音速火焰喷涂外，激光熔覆为制备MCrAlY涂层提供另一种选择。
Sheng feng Zhou等利用激光感应熔覆法制备NiCrAlY金属粘结层，并探讨了粉末研磨时间对涂层性能的影响。延长粉末研磨时间使涂层经历了从等轴晶向柱状晶的转变，并且成分变得更加均匀，除此之外，激光感应熔覆涂层中α-Al2O3、Cr2O3和NiCr2O4含量减少，NiCrAlY涂层的抗氧化性能增强。
激光熔覆方法适合通过工艺参数调控制备各种复合涂层，以降低界面应力强度，使其具有更优的性能。
用激光熔覆方法制备双层非梯度、三层梯度和五层梯度的8%（wt）YSZ热障涂层，对比分析发现，多层梯度涂层没有大量的纵向和横向裂纹，且陶瓷层与相邻涂层之间没有断层现象，陶瓷层结合更为致密。五层梯度热障涂层的隔热和抗热震性能最好，三层梯度热障涂层和五层梯度热障涂层比非梯度双层热障涂层的隔热性能分别提高了3倍和7倍。
通过激光近净成形（LENS）方法成功地在316L不锈钢基体上制备出YSZ热障功能梯度涂层，这是一种不完全意义的激光增材制造技术。激光沉积过程中，熔池的冷却通过基体和周围空气进行，基体方向散热快导致晶粒生长方向与冷却方向相反，形成垂直于基体的柱状晶。对涂层的微观结构分析发现，涂层中存在一些分割的裂纹，这些裂纹能一定程度上增强热障涂层的韧性，减少由于基体和涂层热膨胀系数不一致而产生的热应力。
激光制备热障涂层有着十分良好的发展前景，但也存在一些不足。激光成形过程中工艺参数对涂层质量产生决定性影响，激光快速加热和基体的快速冷却产生的残余应力、熔化过程中产生的气体、熔覆层和基材之间的变形和熔池控制等等，都需要更加深入研究。
5、结束语
本文在阐述热障涂层发展历程和失效机制的基础上，对有着巨大应用前景的自修复热障涂层和激光制备热障涂层技术进行了分析。可以预见，裂纹自修复的热障涂层和激光制备方法在未来热障涂层技术研究中，将占据一席之地。对其今后的研究重点有以下几点展望：
研发具有良好自修复功能的热障涂层，进一步丰富自修复热障涂层的内涵与功能，使之走向工程应用。开发功能更加完善的裂纹自修复热障涂层；多种自修复技术相结合，发挥协同修复作用；系统研究热障涂层裂纹自修复机理，明确自修复过程与热障涂层体系、热氧化过程以及机械强度的交互作用关系，为裂纹自修复热障涂层逐步进入实用奠定基础。
发展热障涂层激光制备技术，提升热障涂层制备技术水平。充分利用激光熔覆工艺的特点，在热障涂层组织与成分调控、多层/梯度结构制备、涂层控制精度等方面充分发挥优势；与增材制造技术结合，实现热障涂层近净加工；与自修复技术相结合，采用激光方法制备自修复热障涂层，得到具有柱状晶结构、同时还具备抑制氧化和阻止裂纹扩展功能的热障涂层，融合两种先进技术的优势，提升热障涂层制备效率和环境适应能力，延长服役寿命。
