本发明属于激光表面改性，具体涉及一种热障涂层无裂纹上釉的方法及应用。
背景技术：
1、随着大推力、高推重比性能要求的提高，两机热端部件的承温已经超过了基底高温合金的使用极限，因此在金属叶片表面涂覆陶瓷热障涂层是提高涡轮叶片承温能力的关键技术之一。大气等离子喷涂制备的热障涂层存在大量孔隙、微裂纹且表面粗糙。孔隙能够为涂层提供有效的热防护，但同时在叶片服役环境中，存在热震温差应力失配、高温氧化、高温腐蚀、燃气/碳硫灰附着因素导致的热障涂层的失效。例如，等离子喷涂的热障涂层粗糙的表面容易粘附大气中的灰尘（灰尘的主要成分为钙/镁/铝/硅的氧化物的混合物，即cmas），同时，涂层中的孔隙成为cmas和氧气的腐蚀通道，以及高温下热生长氧化物产生的体积膨胀，造成涂层的剥落失效，从而降低涂层的服役寿命。
2、对热障涂层进行后处理是提高叶片服役寿命的方法之一，后处理包括涂层的真空热处理、热等静压处理和激光表面改性。其中，激光上釉技术是用高能聚焦激光束无接触熔化材料表面，然后通过表层的快速凝固以消除缺陷，实现表面致密层的目标。通过激光上釉技术可以在陶瓷材料表面形成一层光滑致密的重熔层，从而有效降低表层的孔隙和粗糙度，提升涂层的抗熔盐和氧气腐蚀能力，且对陶瓷材料的其他性能没有明显的影响。现有技术采用红外波长的激光对热障涂层激光上釉，虽然能够在一定程度上消除片层结构和孔隙，提高致密度，降低粗糙度。但是，红外激光上釉时快速凝固过程使陶瓷材料表面不可避免产生网状裂纹，这些贯通的网状裂纹在长期服役条件下会成为高温燃气和外来介质的腐蚀通道，不利于叶片寿命的提升。此外，红外激光上釉深度大，会降低涂层的隔热和热震性能。因此，亟需开发一种能够降低陶瓷材料上釉层表面裂纹数量和尺寸的方法来提升涂层的抗高温氧化和腐蚀能力，延长叶片的寿命。
技术实现思路
1、为解决上述全部或部分技术问题，本发明提供以下技术方案：
2、本发明的目的之一在于提供一种热障涂层无裂纹上釉的方法，所述方法包括：采用准分子激光照射热障涂层的陶瓷层的表面，以在所述陶瓷层表面形成上釉层；所述准分子激光的波长为157~353 nm，所述准分子激光照射热障涂层的激光功率为1~30 w，能量密度为1~10 j/cm2，扫描速度为0.5~20 mm/s，频率为5~100 hz，光斑重叠率为10%~70%；所述准分子激光照射热障涂层时激光束处于离焦状态，离焦量为10~60 mm。
3、本发明所述“无裂纹”，是指本发明的方法形成的上釉层表面在扫描电镜下放大400倍依然看不到裂纹，裂纹宽度为50 nm以下。本发明产生的纳米级裂纹的形态与常规的处理方法完全不同。
4、本发明发现，采用波长在157~353 nm的准分子激光进行激光上釉所形成的上釉层表面光滑无明显裂纹，内部无横向裂纹，能够显著减少上釉层的裂纹数量，裂纹宽度可降低至纳米级，解决现有技术中采用红外波长的激光上釉形成的釉层网状裂纹数量多、尺寸大的问题，从而提高热障涂层的抗高温氧化性能和耐腐蚀性能。这是因为，准分子激光单光子能量高，是波长为1.06微米激光能量的5倍，可以直接破坏分子键对材料表层进行烧蚀，加工获得的上釉层的厚度小于2微米，较薄的秞层减少了材料重熔过程中的应力。
5、另外，该波段的准分子激光能量较大，可以直接破坏陶瓷材料的化学键，主要表现为光化学作用，上釉过程不伴随或者仅伴随少量的热量，是一种冷加工方法。相较于现有技术中利用激光的高热量将材料熔化的热加工方法，本发明的方法热效应较小，可以减轻加工过程中产生的热量对温度敏感基底的影响，增加技术的应用场景。
6、另外，相较于现有技术，该技术不通过机械/电解抛光即可降低上釉层的粗糙度。
7、在部分实施例中，所述准分子激光的波长为157 nm、193 nm、248 nm、308 nm、351nm或者353 nm。
8、在部分优选实施例中，所述准分子激光的波长为248 nm。
9、所述陶瓷材料的制备方法可以是烧结法、喷涂法、物理气相沉积法中的一种或者多种，但不限于此。所述热障涂层在制备时可经过后处理，所述后处理方法包括热处理、激光重熔、化学刻蚀等，本发明对此不做特别限制。
10、本发明的方法适合现有常用于热障涂层的高熔点陶瓷材料，具有普适性。在部分实施例中，所述热障涂层的陶瓷层的材质包括氧化物陶瓷、氮化物陶瓷或碳化物陶瓷中的一种或者多种的组合。例如，所述陶瓷层的材质包括zro2、y2o3、re2zr2o7、retao4、abo3、6~8wt%y2o3稳定的zro2等，这些陶瓷材料的高温性能稳定，对激光的吸收率高于90%。
11、在部分实施例中，所述激光上釉在真空环境、惰性气氛保护或者大气环境中进行。
12、本发明的目的之二在于提供一种陶瓷材料的表面处理方法，包括：采用准分子激光照射陶瓷材料的表面，以在所述陶瓷材料表面形成上釉层；所述准分子激光的波长为157~353 nm，所述准分子激光照射热障涂层的激光功率为1~30 w，能量密度为1~10 j/cm2，扫描速度为0.5~20 mm/s，频率为5~100 hz，光斑重叠率为10%~70%；所述准分子激光照射热障涂层时激光束处于离焦状态，离焦量为10~60 mm。
13、在部分实施例中，所述准分子激光的波长为157 nm、193 nm、248 nm、308 nm、351nm或者353 nm。
14、在部分实施例中，所述准分子激光的波长为248 nm。
15、在部分实施例中，所述陶瓷材料包括氧化物陶瓷、氮化物陶瓷或碳化物陶瓷中的一种或者多种的组合。
16、在部分实施例中，所述陶瓷材料包括zro2、y2o3、re2zr2o7、retao4、abo3或6~8wt%y2o3稳定的zro2。
17、所述“陶瓷材料的表面处理方法”中激光上釉的进一步技术方案，在本发明目的之一“一种热障涂层无裂纹上釉的方法”已有具体阐述，在此不再赘述。
18、本发明的目的之三在于提供一种热障涂层结构，所述热障涂层结构包括粘结层和陶瓷层，所述粘结层用于与基体材料结合，在所述陶瓷层远离粘结层的一侧形成有上釉层，所述上釉层由上述任一项技术方案所述的方法形成。
19、在部分实施例中，所述上釉层的厚度为2 μm以下，优选为200~1000 nm。
20、本发明提供的方法可以将热障涂层表面喷涂态的粗糙结构转变为光滑的上釉层，消除原始陶瓷材料粗糙的表面特征；上釉层为致密的柱状晶结构，致密无孔隙、无层状结构，消除热喷涂层中存在的孔隙和层状结构。
21、现有技术采用红外激光等形成的网状裂纹宽度通常为1~20微米，通过调整工艺虽然可以减少裂纹的宽度，但裂纹数量会增加，裂纹面积占比会达到2.8%左右。而本发明的方法能够使上釉层表面在扫描电镜下放大400倍依然看不到裂纹，裂纹宽度不到50 nm，即实现本发明所述的“无裂纹”。根据典型的外部介质沿着裂纹侵蚀深度与裂纹宽度之间的关系可以看出，在裂纹宽度减少一个数量级的条件下，外部介质侵蚀相同深度所用的时间将增加10倍，从而显著提升材料的使用寿命。
22、本发明的目的之四在于提供上述任一项技术方案所述的方法或者任一项技术方案所述的热障涂层结构在制备航空发动机涡轮叶片或燃气轮机透平叶片中的应用。
23、本发明的目的之五在于提供一种发动机涡轮叶片，所述发动机涡轮叶片包括叶片基体所述的热障涂层结构，所述热障涂层结构形成在所述叶片基体表面。
24、本发明的目的之六在于提供一种燃气轮机透平叶片，所述燃气轮机透平叶片包括叶片基体和所述的热障涂层结构，所述热障涂层结构形成在所述叶片基体表面。
25、与现有技术相比，本发明至少具有以下的有益效果：
26、（1）本发明采用波长在紫外波段的准分子激光对陶瓷基热障涂层进行激光上釉，获得表面光滑且致密的上釉层，表面无裂纹，内部无横向裂纹；形成的上釉层与陶瓷基热障涂层具有良好结合力；该上釉层能够有效防护高温燃气、氧气等向陶瓷材料内部渗透，提高陶瓷材料的抗cmas腐蚀性能，并且釉层光滑的表面可以减少对砂石、灰尘等杂质的黏附，适合应用于航空发动机涡轮叶片或燃气轮机透平叶片；
27、（2）本发明采用的方法可以在热障涂层表面形成厚度不超过2微米的上釉层，对基体材料的其他性能不产生影响，适用于各种陶瓷材、难加工材料的表面改性，应用广泛，加工效率高，可以进行产业化生产和应用。
1.一种热障涂层无裂纹上釉的方法，其特征在于，包括：采用准分子激光照射热障涂层的陶瓷层的表面，以在所述陶瓷层表面形成上釉层；
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述准分子激光的波长为157 nm、193 nm、248 nm、308 nm、351 nm或者353 nm；
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述准分子激光的波长为248 nm。
4.一种陶瓷材料的表面处理方法，其特征在于，包括：采用准分子激光照射陶瓷材料的表面，以在所述陶瓷材料表面形成上釉层；
5.根据权利要求4所述的陶瓷材料的表面处理方法，其特征在于：所述准分子激光的波长为157 nm、193 nm、248 nm、308 nm、351 nm或者353 nm；
6.一种热障涂层结构，所述热障涂层为多层结构，包括粘结层和陶瓷层，所述粘结层用于与基体材料结合，其特征在于：在所述陶瓷层远离粘结层的一侧形成有上釉层，所述上釉层由权利要求1~3任一项所述的方法形成。
7.根据权利要求6所述的热障涂层结构，其特征在于：所述上釉层的厚度为2 μm以下。
8.权利要求1-3任一项所述的方法或者权利要求6-7任一项所述的热障涂层结构在制备航空发动机涡轮叶片或燃气轮机透平叶片中的应用。
9.一种发动机涡轮叶片，其特征在于，包括叶片基体和权利要求6或7所述的热障涂层结构，所述热障涂层结构涂覆在所述叶片基体表面。
10.一种燃气轮机透平叶片，其特征在于，包括叶片基体和权利要求6或7所述的热障涂层结构，所述热障涂层结构涂覆在所述叶片基体表面。
