1.1研究背景及研究意义

21世纪随着人类社会的进步，人类对能源需求也随之增大，其战略地位也不断提升。虽然石油、天然气、煤等传统化石燃料技术成熟，但是人类多年来的开发使得化石能源这种常规能源越来越少^{[1, 2]}。目前人类正在加紧开发新能源，而新能源中的太阳能是一种优质能源，相比于其他能源，太阳能来源广，取之不尽而且清洁高效，因此更受人们亲睐^{[3, 4]}。目前人类对太阳能的应用与转化主要分为：光电、光生物能、光热、光化学(光催化) 4种基本形式^[5]。本文主要讨论使用太阳能光谱选择性吸收涂层进行光-热转换，将太阳能转换为热能。光谱选择性吸收涂层的概念最早由Tabor^[6]、Shaffer^[7]等提出，该种涂层在太阳光谱范围（0.3～2.5μｍ）内具有高的吸收率α，在红外辐射区具有低的热发射率ε_Ｔ。

太阳能集热系统中的最关键部分是太阳能选择性吸收涂层^[8]，国内研究和开发的太阳能选择性吸收涂层主要集中在中低温领域,如太阳能热水器^[9],而在太阳能的中高温热利用领域中，比如使用太阳能热发电等，对涂层材料的各项要求更高，特别是要在较高温度下保证涂层材料依然具有优异的光学特性、热力学稳定性。根据其工作原理可知光谱选择性吸收特性的材料是一种复合材料，由吸收太阳光辐射的材料和反射红外光谱两部分材料组成。一般情况下，可见光谱区的光子能量与金属、金属氧化物、金属硫化物和半导体等发色体粒子的电子跃迁能级较为匹配^[10]，因此是制备太阳能选择性涂层吸收层的主要材料，例如黑铬(Cr_xO_y)、黑镍 (NiS-ZnS)、氧化铜黑(Cu_xO_y)和四氧化三铁(Fe₃O₄)等^[11]。而红外反射层则一般使用红外反射率较高的材料，如铜、铝等其他金属，来减少自身辐射热损以获得较低的红外发射率。由于金属陶瓷双吸收层具有优秀的光谱选择性和极佳的高温稳定性，成为了目前光谱选择性吸收涂层主流研究方向。其光吸收效果好，且发射率较低，一般应用于中高温领域。常用的电介质材料为Al₂O₃、金属碳化物和金属氮化物等，金属为Ni、Mo、Ti、W等^[12]。目前研究较多的金属-电介质涂层有Cr-Cr₂O₃、Ni-Al₂O₃、Mo-SiO₂、W-AlN等^[13]。对于金属陶瓷涂层的研究可以通过借助计算机辅助软件，快速计算出所选材料的光学性质，再根据参数对其涂层材料进行模拟和优化，最终获得最佳的涂层结构、光学参数和理想光学性能的多层膜结构涂层^[5]。涂层的光谱选择性还可以通过改变其涂层成分、涂层厚度、金属颗粒浓度、颗粒尺寸、颗粒形状和颗粒取向等来优化^[14]，还可以选择适合的减反射层和基底来提高涂层的光谱选择性和热稳定性。太阳光谱选择性吸收涂层的制备方法可分成物理和化学方法两大类，包括：物理气相沉积、化学气相沉积、电镀法和湿化学合成法等^[15]。但目前主流应用的是磁控溅射物理气相沉积法。

激光熔覆是指所选用的涂层材料通过不同方法添加到基材表面，利用高功率密度激光束使涂层材料和基材表面发生熔合、并快速凝固,从而形成耐磨、耐蚀、抗氧化的 冶金结合的表面涂层^[16]。作为一种新兴的表面处理技术，激光熔覆在提升材料表面强度、硬度等方面显示出了巨大的优势，如工件变形小、热影响区小和易于实现自动化等^[17]。虽然激光熔覆技术在工业领域应用广泛，但是使用该方法来制备太阳能选择性涂层却鲜有报道。Ankit A. Shah^[18]在2015年用激光烧结法在不锈钢表面制备了太阳能选择性吸收涂层。在该实验中采用金属W作为材料，采用两次不同能量密度的激光扫描进行制备，第一次扫描用于年多尺度金属W粉进行烧结，以获得致密无孔隙的连续涂层；第二激光扫描用来修改已烧结钨层的表面粗糙度，以获得所需的表面形态，用以获取更高的太阳能吸收率和较低的发射率值。经两次扫描后，涂层光谱吸收率为90.3%，热发射率为11.6%，且在650℃高温下仍然保持良好的性能。

激光熔覆的熔化过程是一个动态过程，在熔化过程中熔池中会出现热传导、对流、传质和固-液界面的扩散等变化。熔池凝固后的宏观形貌、微观组织及其它物理冶金性能等受到温度场的影响，熔覆层微观组织对应力分布产生反作用^[19]。在热力学分析中，激光熔覆过程中温度场的存在带来了应力场，而温度场分布对熔覆层的微观组织及残余应力的分布有直接影响，熔覆层的微观组织影响应力场的分布，因此温度场、应力场的分布直接影响着熔覆层的品质与性能^[17]。在研究分析激光熔覆过程中采用数值模拟的方法来预测应力的分布情况，能够有效预测出熔融层的裂纹、气孔、夹杂以及层间结合弱等各种缺陷，对提高熔覆层的质量和性能具有重要意义。

激光熔覆技术利用激光的高能量密度和穿透性，能在极短的时间内熔化涂层，以及涂层与基板界面的金属，其界面结合力为冶金结合，可极大提升涂层的高温抗剥落性能。使用激光熔覆法来制备出成本低廉、综合性能高的金属陶瓷选择性吸收涂层。因此本课题的研究，对我国太阳能热利用的发展具有较为深刻意义。

1.2 国内外研究现状及发展趋势

1.2.1国内研究现状

20世纪90年代初，我国科研工作者开始对激光熔覆技术的原理以及其工艺进行研究。如今随着我国科学研究投入的增多，激光熔覆技术也在不断进步。现在主要研究激光熔覆技术的相关工艺研究和激光熔覆材料设计^[20]。激光熔覆工艺参数数量较多且之间关系复杂，对熔覆层的宏观的外形形貌、微观特征及机械性能有较大影响。北京航空航天大学的王华明研究高能激光束扫描速度与所制备出熔覆层的硬度、厚度以及显微结构都有影响^[21]。除了自身的工艺参数外，外加辅助工艺（如磁场、机械振动、预热等）也会对熔覆层的形状、组织性能产生较大影响。刘洪喜等^[22]研究了外加旋转磁场在激光扫描过程中对所制备出的熔覆层所产生的影响。实验结果表明激光熔覆时加入旋转磁场，熔覆层组织明显细化而且分布更加均匀细致。