織構(gòu)化表面涂層的研究進展*

鄧建新，孟 瑩，張志慧，孫慶浩

（1.山東大學高效潔凈機械制造教育部重點實驗室，濟南 250061；2.山東大學機械工程學院，濟南 250061）

現(xiàn)代裝備制造業(yè)的快速發(fā)展對機械高端裝備構(gòu)件的綜合性能提出了更高的要求，由于機械構(gòu)件長期服役于各種苛刻和復雜的服役環(huán)境中，不可避免會因腐蝕、磨損、疲勞等因素而發(fā)生表面損傷，從而影響裝備運行的可靠性。由于多數(shù)高端裝備構(gòu)件結(jié)構(gòu)復雜，制造成本高，因此，如何進一步提升裝備構(gòu)件的表面性能，延長其服役期限，是科研工作者面臨的共同問題。關(guān)鍵構(gòu)件的表面改性成為高端機械裝備可靠應(yīng)用的核心技術(shù)[1]。

涂層技術(shù)作為表面改性技術(shù)的重要支撐技術(shù)之一，自20世紀60～70年代問世以來，因其能用極少涂層材料賦予零構(gòu)件表面卓越性能的優(yōu)點而得到廣泛關(guān)注，目前在航空航天、石油化工、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域的防磨抗蝕方面獲得了較好的應(yīng)用，成為延長高端裝備構(gòu)件使役壽命的重要方法[2–3]。然而，隨著復雜工況條件對現(xiàn)代機械裝備要求的不斷提高，涂層技術(shù)仍面臨著提高涂層綜合性能的巨大挑戰(zhàn)[4]：由于涂層與基體之間存在化學及原子結(jié)構(gòu)、彈性模量、硬度、熱膨脹系數(shù)等物理機械性能上的差異，使得涂層與基體之間的結(jié)合受限，導致涂層發(fā)生過早失效；且傳統(tǒng)涂層構(gòu)件表面的高摩擦系數(shù)會影響裝備運行的穩(wěn)定性，從而限制了涂層在高速、重載等環(huán)境中的應(yīng)用。

為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，研究者們致力于從涂層自身角度出發(fā)來改善涂層的可靠性和耐久性，主要包括沉積參數(shù)優(yōu)化、涂層材料改性、涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計以及新涂層材料研發(fā)等[5–7]。雖然這些措施能夠不同程度地改善涂層的力學、耐磨、防腐及黏附等性能，但從實際應(yīng)用的角度考慮，目前涂層制備工藝已相對完善，通過調(diào)整涂層沉積工藝進一步改善涂層性能的效果有限；另外，涂層工藝調(diào)控方法還存在處理周期長、難以實現(xiàn)技術(shù)統(tǒng)一化等問題。由于涂層和基體屬于層狀復合體系，因此，基體的力學性能和膜–基界面處的梯度性能對涂層性能的影響也不容忽視。源自于仿生摩擦學領(lǐng)域的表面織構(gòu)化技術(shù)是一種能夠通過改變基材表面的幾何結(jié)構(gòu)來改善零構(gòu)件表面行為的改性手段，其在發(fā)動機氣缸、機械密封、人工關(guān)節(jié)、軸承、磁存儲介質(zhì)等產(chǎn)品上的應(yīng)用表明了在改善基體表面潤滑狀態(tài)方面的有效作用[8]。為此，有學者提出基體織構(gòu)化與涂層沉積相結(jié)合的思路，利用兩者的協(xié)同改性作用控制涂層在基體表面的沉積行為，從而優(yōu)化涂層的表界面性能。雖然目前的研究還不夠系統(tǒng)，但其研究結(jié)果均證明了基體表面織構(gòu)化技術(shù)提高涂層綜合性能的可行性[9]。

基于上述問題，本文總結(jié)了基體表面織構(gòu)化的現(xiàn)有技術(shù)、優(yōu)缺點、關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計及應(yīng)用，綜述了基體表面織構(gòu)化與涂層協(xié)同作用的國內(nèi)外研究進展，并闡述了基體表面織構(gòu)化對涂層表面性能和界面性能的影響機制，以期為進一步提高織構(gòu)化涂層的綜合性能提供借鑒與指導。

1 表面織構(gòu)化

織構(gòu)源于自然界動植物表面形成的拓撲結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出優(yōu)異的減摩、減阻、潤滑、防污等特性。基于此，研究者通過研發(fā)各種織構(gòu)化技術(shù)在零構(gòu)件表面制備一系列規(guī)則且具有一定尺寸和分布的微結(jié)構(gòu)，合理的表面織構(gòu)設(shè)計已被證明具有改善材料摩擦學及生物學性能的能力[10]。

1.1 表面織構(gòu)化加工方法

為了滿足不同領(lǐng)域和行業(yè)的需求，國內(nèi)外研究者們致力于開發(fā)各種表面織構(gòu)制備方法和裝備。目前常用的表面織構(gòu)制備方法主要包括激光加工、聚焦離子束加工、光刻加工、電火花加工、化學沉積法、機械加工法等[11]。

1.1.1 激光加工

激光加工是目前應(yīng)用最為廣泛的表面微納織構(gòu)加工技術(shù)，具有工藝簡單、重復性高、可控性好、環(huán)保等優(yōu)點。其工作原理是利用高能量激光束輻照基材表面，使表層材料進行快速的融化、氣化，從而實現(xiàn)表面微結(jié)構(gòu)的加工。目前，激光織構(gòu)化在控制潤濕性、降低磨損、提高切削性能等方面得到了較好的應(yīng)用[12–13]。圖1所示為利用納秒激光器在不同刀具表面加工的魚鱗狀微織構(gòu)，圖2所示為利用飛秒激光器在硬質(zhì)合金刀具前刀面加工的納織構(gòu)形貌，這些織構(gòu)的存在能夠有效改善刀–屑接觸界面在切削過程中的潤滑和摩擦狀態(tài)。然而，伴隨著高能量激光脈沖帶來的熱效應(yīng)，納秒激光加工存在一些不可避免的問題，如產(chǎn)生熱影響區(qū)、熔渣堆積及微裂紋等，這種缺陷尤其體現(xiàn)在熔點低、硬度小的塑性金屬材料上（圖3）[14]。因此，在織構(gòu)化加工后，往往需要對基體表面進行研磨、拋光處理。此外，飛秒激光雖然幾乎不受熱的影響，但其加工成本高、效率低。

圖1 納秒激光器在不同刀具表面加工的魚鱗狀微結(jié)構(gòu)Fig.1 Fish-scale microstructures fabricated by nanosecond laser on different tool surfaces

圖2 飛秒激光器在硬質(zhì)合金前刀面加工的納織構(gòu)Fig.2 Nano-texture on rake face of cemented carbide fabricated by femtosecond laser

1.1.2 電火花加工

電火花加工屬于非接觸式織構(gòu)化加工方法，其去除機理為通過脈沖火花放電產(chǎn)生的高溫和電腐蝕現(xiàn)象來實現(xiàn)的。借助該技術(shù)可以實現(xiàn)難以利用傳統(tǒng)機械方法加工的高熔點硬脆材料 （如硬質(zhì)合金、立方氮化硼（PCBN）等）表面織構(gòu)的制備，還適用于各種深孔、復雜形狀及曲面的制備。圖4為利用電火花加工的立方氮化硼刀具表面微織構(gòu)形貌[15]。目前關(guān)于電火花微織構(gòu)的研究主要聚焦在微織構(gòu)刀具和具有各種孔或腔的模具等方面，吳澤[16]和宋文龍[17]等證明了電火花微織構(gòu)刀具對切削性能的改善作用。然而，電火花加工要求工件具有導電性，且加工后表面有一定深度的影響層。

圖4 電火花加工方法在刀具前刀面制備的微織構(gòu)[15]Fig.4 Micro-texture prepared by EDM method on the tool rake face[15]

1.1.3 光刻加工

光刻加工技術(shù)是基于光刻膠感光后特性改變原理制備織構(gòu)的加工方法。首先將光刻掩膜版的圖案準確地復制在光刻膠上，然后以光刻膠為掩膜保護，選擇性地加工掩膜層，最終獲得相應(yīng)的表面結(jié)構(gòu)[18]。相對于其他織構(gòu)化制備方法，光刻加工技術(shù)具有設(shè)備簡單、易操作、無制造缺陷等優(yōu)點。目前光刻技術(shù)多用于半導體元器件、集成電路等微機械和微機電系統(tǒng)制造中。然而光刻加工技術(shù)存在流程復雜、成本高等缺點。1.1.4 聚焦離子束加工

聚焦離子束技術(shù)是將離子束聚焦至亞微米甚至納米尺度，并通過控制離子束運動實現(xiàn)納米尺度精細圖案檢測和分析的無掩模加工技術(shù)。由于離子束波長較短且能量密度較大，能夠直接制造特征尺寸小于1μm的結(jié)構(gòu)，這在高精度微納織構(gòu)表面的制備中引起了極大的關(guān)注。目前，聚焦離子束加工已廣泛應(yīng)用于微型刀具、光電子器件以及納米生物器件等方面。圖5顯示了采用聚焦離子束加工方法在刀具表面制備微織構(gòu)的流程示意圖[19]。

圖5 聚焦離子束在金剛石刀具表面加工微織構(gòu)的流程示意圖[19]Fig.5 Schematic diagram of preparing micro-textures on the diamond tool surfaces by focused ion beam[19]

綜上所述，不同的表面織構(gòu)化技術(shù)具有各自的加工特點，表1給出了幾種典型表面織構(gòu)化制備技術(shù)的適用條件及優(yōu)缺點[20]。雖然已經(jīng)取得了大量研究進展，但隨著微納技術(shù)的快速發(fā)展，尋求低成本、高效率、高精度的織構(gòu)化制造方法仍是表面織構(gòu)制備領(lǐng)域所面臨的迫切需求。近幾年涌現(xiàn)出了一系列新開發(fā)的表面織構(gòu)制備手段，包括振動輔助微切削[21]、超聲波振動輔助加工[22]、電流體噴射沉積[23]、激光沖擊[24]等。圖6和7所示分別為本課題組利用超聲滾壓設(shè)備在鋼基體表面加工的微織構(gòu)和采用電流體噴射沉積所制備的鋯鈦酸鉛微陣列。

圖6 超聲滾壓加工的表面微織構(gòu)Fig.6 Surface micro-textures machined by ultrasonic surface rolling treatment

圖7 電流體噴射沉積制備的鋯鈦酸鉛微陣列Fig.7 Lead zirconate titanate micro-arrays fabricated by electrohydrodynamic atomization

1.2 表面織構(gòu)參數(shù)設(shè)計

表面織構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)包括織構(gòu)形狀、分布位置、幾何參數(shù)（深度、寬度、面密度）、組合形式等。目前，表面織構(gòu)參數(shù)的設(shè)計并未形成統(tǒng)一的體系。許多研究表明，只有具有合適參數(shù)的表面織構(gòu)才能發(fā)揮其最優(yōu)的表面改性作用[25]。

表面織構(gòu)的形狀大多是基于自然界中動植物的獨特構(gòu)造而設(shè)計的[26]，如凹坑型、凸起型、溝槽型等基礎(chǔ)形狀和仿鯊魚皮織構(gòu)、仿荷葉織構(gòu)、仿四葉草織構(gòu)等仿生形狀。圖8為利用激光加工技術(shù)在硬質(zhì)合金基體表面加工的不同形狀微織構(gòu)形貌。王再宙等[27]采用激光加工技術(shù)在基材表面分別制備了不同的仿生微結(jié)構(gòu)（凹坑、凸包、波紋、鱗片），并指出鱗片型微織構(gòu)表面具有最佳的抵抗摩擦和磨損的能力。此外，國內(nèi)外學者們開展了大量的織構(gòu)幾何參數(shù)和分布位置優(yōu)化研究，于如飛等[28]分析了不同織構(gòu)分布位置對徑向軸承流體動壓潤滑特性的影響，結(jié)果表明，當織構(gòu)分布在壓力下降區(qū)和最大壓力附近時，能夠有效地改變軸承油膜壓力的分布情況。Wakuda 等[29]在基材表面加工了不同面密度和直徑的微坑織構(gòu)，發(fā)現(xiàn)只有當表面赫茲接觸寬度小于微凹坑直徑時，微坑織構(gòu)才會起到改善材料表面摩擦性能的作用。

此外，納米技術(shù)的快速發(fā)展使制造技術(shù)進入了更小的尺度，有學者們提出將不同尺度的織構(gòu)進行組合，制備多尺度微納復合織構(gòu)的思路，以期能夠進一步發(fā)揮表面織構(gòu)的優(yōu)異特性，提高零構(gòu)件的表面性能。圖9為利用飛秒激光加工和納秒激光加工在刀具前刀面制備的微納復合織構(gòu)，結(jié)果表明，相比于單一尺度的織構(gòu)化刀具來說，微納復合織構(gòu)能夠進一步提高刀具的切削性能，這主要歸因于微織構(gòu)和納織構(gòu)的協(xié)同作用。此外，不同形狀、幾何參數(shù)、分布位置的隨機組合也被證明對于表面織構(gòu)的服役性能有顯著影響。彎艷玲等[30]在鋁合金表面構(gòu)筑了溝槽–凹坑型復合微織構(gòu)，并研究了復合織構(gòu)對防覆冰性能的影響，結(jié)果表明，復合微織構(gòu)延緩了水滴在鋁合金表面的結(jié)冰時間，顯著增強了材料表面的疏水性。

圖9 硬質(zhì)合金刀具前刀面的微納復合織構(gòu)Fig.9 Micro-nano composite textures on the rake face of carbide tool

1.3 表面織構(gòu)的應(yīng)用

表面織構(gòu)技術(shù)涉及機械制造、醫(yī)學、微納機電系統(tǒng)（MEMS/NEMS）、新能源產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域，在軸承、發(fā)動機氣缸、機械密封、刀具、人工關(guān)節(jié)、磁存儲介質(zhì)等產(chǎn)品的應(yīng)用上展現(xiàn)出了良好的效果，能夠有效改善零構(gòu)件表面的耐磨性、潤濕性、減阻性、黏附性等性能。

在提高耐磨性方面，Stephens等[31]通過LIGA 技術(shù)在軸承表面加工了凸臺微織構(gòu)，結(jié)果表明，織構(gòu)化處理后的軸承表面摩擦系數(shù)顯著降低。Yue 等[32]在上下導軌的接觸面上制作不同方向的微溝槽，并與微織構(gòu)化導軌作為對照組來評估其摩擦學性能，結(jié)果表明，微織構(gòu)能夠在不同程度上改善導軌的摩擦性能。本課題組多年來致力于微織構(gòu)化刀具的研究開發(fā)及其減、抗磨機理研究，并取得了大量的研究成果，結(jié)果證明，合理的微織構(gòu)具有提高刀具性能的作用[33]。

在改善潤滑性方面，符永宏等[34]構(gòu)建了規(guī)則微觀幾何形貌條件下的缸套內(nèi)表面潤滑模型，并初步設(shè)計和優(yōu)化了織構(gòu)的幾何參數(shù)，發(fā)現(xiàn)即使在對磨副的表面加工單一的凹坑織構(gòu)，缸套表面也能保持較好的流體動壓效果。楊厚廷等[35]分析了織構(gòu)化人工膝關(guān)節(jié)的流體動力潤滑效應(yīng)，結(jié)果表明一定尺寸參數(shù)范圍內(nèi)的織構(gòu)化加工有利于改善人工膝關(guān)節(jié)的潤滑性能。

在增強生物兼容性方面，蔡蕓等[36]在血管支架內(nèi)表面制備了不同織構(gòu)參數(shù)的仿生織構(gòu)，發(fā)現(xiàn)織構(gòu)化血管內(nèi)的血流特性有了很大改善。Hen 等[37]采用激光加工技術(shù)在鈦合金表面制備了兩種方向的微溝槽（橫向和縱向），結(jié)果表明，細胞更容易附著在橫向微溝槽上，這證明了合理的織構(gòu)化預處理明顯改善了細胞與鈦合金基體的兼容性。

在提升黏附性方面，Ranian 等[38]在計算機硬盤的啟停區(qū)域加工了微凸起或微凹坑織構(gòu)，研究結(jié)果表明，織構(gòu)化處理顯著降低了磁頭與磁盤之間的接觸面積和吸附力，延長了計算機硬盤的使用壽命。劉舒鵬[39]為了改善微納機械器件的黏著、摩擦和磨損問題，利用等離子刻蝕技術(shù)和光刻技術(shù)在單晶硅表面上成功構(gòu)筑了柱狀微織構(gòu)，結(jié)果表明，微織構(gòu)具有明顯的減黏作用，并且微織構(gòu)還降低了探針與單晶硅表面之間的摩擦力。

此外，表面織構(gòu)還在減少噪音污染[40]、改善表面光學特性[41]、降低空氣阻力[42]等方面起到有效的作用，可以看出，表面織構(gòu)技術(shù)在改善零構(gòu)件表面性能方面具有廣闊的應(yīng)用空間。

2 基體表面織構(gòu)化與涂層協(xié)同作用的研究現(xiàn)狀

隨著對表面織構(gòu)與表面涂層技術(shù)研究的深入，兩者的協(xié)同改性作用得到了學者們的廣泛關(guān)注。通過眾多的試驗研究發(fā)現(xiàn)，將微/納織構(gòu)與涂層相結(jié)合可以獲得更優(yōu)的材料摩擦學性能，不僅體現(xiàn)在可以提高涂層表面的抗黏結(jié)磨損性能，還能增強涂層在基體表面的附著力[43]。

2.1 表面織構(gòu)與硬涂層的應(yīng)用

硬涂層通常具有高紅硬性和良好的耐磨性，目前主要用作硬質(zhì)合金、高速鋼、陶瓷等刀具表面的涂層，以提高刀具表面硬度，延長服役期限。然而，傳統(tǒng)硬質(zhì)涂層刀具在實際使用過程中存在明顯缺陷：如刀–屑接觸區(qū)摩擦系數(shù)較大，刀具磨損嚴重，膜–基界面結(jié)合強度低等。基于此，部分學者提出將刀具基體表面進行織構(gòu)化預處理后再沉積涂層的思路，以期增強涂層刀具的切削性能。

本課題組提出了基體表面織構(gòu)化涂層刀具的新概念，并成功設(shè)計和制備了織構(gòu)化TiAlN 涂層刀具、織構(gòu)化AlCrN 涂層刀具等，切削試驗結(jié)果表明，織構(gòu)化預處理能夠明顯提升硬涂層刀具的摩擦性能和切削性能，主要表現(xiàn)為切削力、切削溫度以及刀–屑間平均摩擦系數(shù)降低，刀具磨損程度變得輕微（圖10），且工件加工質(zhì)量得到明顯改善[44]。除了提高涂層表面性能外，張翔等[45]還發(fā)現(xiàn)基體表面納織構(gòu)化處理能顯著提高硬涂層與刀具間的黏附力，從而提升涂層刀具的黏附性能。Meng 等[46]利用超聲滾壓技術(shù)在鋼基體表面加工了不同間距的微溝槽織構(gòu)，隨后在織構(gòu)化的表面上沉積了AlTiN 涂層，劃痕結(jié)果表明，相比于沉積在拋光基體上的涂層試樣，沉積在間距為150μm 織構(gòu)化基體上的涂層試樣具有更好的界面結(jié)合力，這表明合理的表面織構(gòu)能夠提高膜–基界面結(jié)合強度，從而提升涂層界面的黏附性能，并且在油潤滑工況下，織構(gòu)化涂層試樣的磨損程度減輕，提高了涂層的抗磨能力。

圖10 基體織構(gòu)化前后TiAlN 涂層刀具的磨損形貌和最大磨損值變化[44]Fig.10 Wear morphologies and maximun flank wear of TiAlN coated tools before and after substrate texturing[44]

此外，基體表面織構(gòu)化與硬涂層的協(xié)同作用在提高鈦合金、鋁合金、鎳基合金等航空航天材料摩擦性能方面的有效性也得到了認證，徐上等[47]研究了織構(gòu)化TC11 鈦合金表面涂覆TiAlSiN 涂層在脂潤滑工況下的摩擦學行為，發(fā)現(xiàn)高硬度的涂層能夠起到保護鈦合金基體的作用，從而減緩磨損，表面織構(gòu)則能夠通過降低摩擦系數(shù)來提高TC11鈦合金表面的減摩能力。

2.2 表面織構(gòu)與軟涂層的應(yīng)用

軟涂層主要為具有低摩擦系數(shù)和低剪切強度的固體潤滑材料，如MoS2、WS2、BN 和石墨等。通過在零構(gòu)件表面涂覆軟涂層材料，可以有效地緩和摩擦狀態(tài)，降低摩擦系數(shù)，減少黏結(jié)，提高零構(gòu)件的使用壽命。表面微織構(gòu)與軟涂層的協(xié)同作用能夠進一步增大軟涂層與基體表面的附著面積，增強基體對涂層的機械嚙合力。本課題組采用激光織構(gòu)化技術(shù)在刀具前刀面加工了納米尺度的織構(gòu)，然后在刀具表面沉積了WS2軟涂層，如圖11所示，利用該納織構(gòu)化軟涂層刀具開展了干車削試驗，發(fā)現(xiàn)基體表面織構(gòu)化預處理能夠顯著降低軟涂層刀–屑接觸界面的摩擦系數(shù)，并減輕刀具黏結(jié)及磨損[48]。隨后還在Al2O3/TiC 陶瓷刀具表面加工了不同幾何特征的納織構(gòu)，并涂覆了WS2潤滑軟涂層，對45#淬火鋼干切削的試驗結(jié)果表明，納米織構(gòu)能夠很好地吸附表面的WS2潤滑涂層，減緩刀具表面磨損，延長刀具使用壽命，并且切削過程振動更小，已加工表面質(zhì)量更好[49]。

圖11 沉積WS2 涂層前后織構(gòu)化硬質(zhì)合金刀具前刀面的SEM 形貌[48]Fig.11 SEM morphologies of rake face for textured cemented carbide tools before and after deposition of WS2 coating[48]

此外，織構(gòu)化與軟涂層的協(xié)同作用在航空航天、汽車工程等領(lǐng)域也有所涉及，楊洋等[50]針對航天器滑動電接觸部件特殊的真空載流服役要求，研究了條狀和網(wǎng)狀織構(gòu)以及各自不同織構(gòu)密度條件下噴涂NbSe2涂層的真空載流摩擦學性能，結(jié)果表明，與現(xiàn)役的金電鍍層相比，優(yōu)化后的織構(gòu)表面NbSe2涂層在真空載流摩擦條件下展現(xiàn)出更加優(yōu)異的摩擦學和電接觸性能，摩擦系數(shù)由0.25減小至0.05，且電噪音波動明顯改善，由0.05V 降低至0.02V。

3 基體表面織構(gòu)化對涂層性能的影響機理研究

基體表面織構(gòu)化改善涂層綜合性能的作用機理不僅涉及涂層的表面性能，還包含對膜–基界面效應(yīng)的影響，主要體現(xiàn)在：產(chǎn)生高柔性基體表面微結(jié)構(gòu)，改善基體表面潤濕性和表面能，增加膜–基界面接觸面積，提升界面機械鎖合程度，誘導涂層應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變等。

3.1 織構(gòu)化對涂層表面性能的影響機理

通常，涂層系統(tǒng)的性能主要由其表面形貌所決定。當涂層的厚度小于基體表面的微織構(gòu)深度時，基體表面的微織構(gòu)未被涂層完全覆蓋，由基體表面織構(gòu)引起的表面粗糙度變化勢必會對涂層系統(tǒng)的表面性能產(chǎn)生顯著影響；而當涂層的厚度大于基體表面的微織構(gòu)深度時，基體表面的微織構(gòu)能在最表層涂層磨損掉后參與到界面摩擦運動中，從而進一步延長涂層的服役壽命?；w織構(gòu)化對涂層表面性能的影響在不同應(yīng)用領(lǐng)域中表現(xiàn)出不同的改善方式和增益效果。

在摩擦磨損領(lǐng)域，織構(gòu)化涂層表面的作用機理主要與摩擦潤滑狀態(tài)有關(guān)。目前主流觀點所認同的改善機理主要分為3 類：干摩擦工況下的“儲存磨屑理論”、流體潤滑工況下的“流體動壓效應(yīng)理論”以及邊界潤滑工況下的“二次潤滑效應(yīng)”，具體表現(xiàn)為基體表面的微織構(gòu)能夠減少涂層摩擦面積、捕捉儲存磨屑、儲存潤滑劑、放大潤滑效果等。本課題組利用激光技術(shù)在硬質(zhì)合金刀具表面加工了凹坑微織構(gòu)，隨后在織構(gòu)化刀具表面沉積了20μm 厚的WS2涂層，結(jié)果表明，當最表層的WS2涂層被磨損后，儲存在凹坑中的WS2顆粒可以繼續(xù)為摩擦界面提供供應(yīng)，如圖12所示[51]。

圖12 凹坑織構(gòu)形貌及沉積WS2 涂層后的微織構(gòu)的存儲作用[51]Fig.12 Morphologies of pits and storage behavior of micro-textures after depositing WS2 coating[51]

此外，微織構(gòu)還能捕捉和存儲磨屑，防止碎屑顆粒在摩擦界面的聚集，從而減緩了磨粒磨損和黏附磨損，提升了涂層表面的摩擦學性能。Ahmed 等[52]發(fā)現(xiàn)不論在低溫或高溫磨損下，微織構(gòu)均能夠提高a–C：H DLC 涂層的耐磨性，這得益于微織構(gòu)的存儲作用，織構(gòu)化預處理后的a–C：H DLC 涂層可用作汽車凸輪/挺桿系統(tǒng)的耐磨涂層。

在織構(gòu)化涂層刀具領(lǐng)域，涂層刀具表面未能被完全覆蓋的微織構(gòu)能夠減小刀–屑界面的接觸長度，從而顯著改善涂層刀具在切削過程中的接觸特性和摩擦狀態(tài)。在液體潤滑切削條件下，涂層刀具表面的微織構(gòu)可以促進切削液的滲入，當切削液滲透或擴散進入到刀具–切屑–工件的相互接觸界面時，會形成一層吸附潤滑膜，將刀–屑接觸面處的摩擦狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫吔鐫櫥瑺顟B(tài)，從而降低涂層刀具的摩擦和磨損；而在干切削狀態(tài)下，織構(gòu)化涂層刀具的表面微織構(gòu)則具有捕捉切削碎屑的作用，微織構(gòu)可以阻斷磨粒在刀具表面的連續(xù)滑動，從而將連續(xù)磨損轉(zhuǎn)化為分散的局部磨損，Misgra 等[53]證實了基體織構(gòu)化和涂層刀具的結(jié)合能夠有效降低切削力和后刀面磨損。符永宏[54]和李玉弟[55]等制備出了激光織構(gòu)化TiAlN 涂層刀具，并對刀具的系列性能展開了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，織構(gòu)與涂層的協(xié)同作用提高了刀具的切削性能，在相同的切削參數(shù)下，織構(gòu)化涂層刀具的切削力、切削溫度以及切屑卷曲性能都優(yōu)于未織構(gòu)化涂層刀具，主要原因為微織構(gòu)能夠降低單位切削層的剪切應(yīng)力和摩擦應(yīng)力，同時實際刀–屑接觸長度的縮短能夠減小切屑變形量，而接觸面積的減小使產(chǎn)生的摩擦熱量也隨之減少。

此外，織構(gòu)化的基體表面還會對涂層的沉積過程產(chǎn)生影響，包括原子生長過程、沉積速率、涂層結(jié)構(gòu)等，進而影響涂層的表面性能。如圖13所示，在拋光基體上沉積的TiAlN 涂層表現(xiàn)出典型的柱狀結(jié)構(gòu)，而當涂層沉積在離子束刻蝕輔助激光織構(gòu)化基體上時，由于毛細凝聚吸附的產(chǎn)生，入射原子的吸附能力顯著增強，促進了涂層成核，使得涂層呈現(xiàn)出片狀結(jié)構(gòu)。劃痕試驗和摩擦試驗結(jié)果表明，織構(gòu)化涂層試樣表現(xiàn)出更高的膜–基結(jié)合力和更長的磨損壽命[56]。由此可見，織構(gòu)化基體表面對涂層的黏附作用也會影響涂層的表面性能，當膜–基間的結(jié)合強度增大時，涂層從基體剝離所需要的能量就會增大，從而增強了涂層抵抗摩擦磨損的能力，延長了涂層的磨損壽命。

圖13 TiAlN 涂層在不同基體上的沉積機制模型示意圖[56]Fig.13 Deposition mechanism model of TiAlN coatings on different substrates[56]

3.2 織構(gòu)化對涂層界面性能的影響機理

由于涂層與基體之間存在物理力學性能上的錯配，使得涂層與基體結(jié)合界面處存在明顯的性能過渡層。因此，膜–基結(jié)合處的界面性能將直接影響涂層的力學行為和服役效果?；w表面織構(gòu)化對涂層界面性能的影響主要包括界面結(jié)合形貌、涂層系統(tǒng)應(yīng)力狀態(tài)、表面潤濕性和表面能、界面接觸比表面積等方面。

3.2.1 界面結(jié)合形貌

基體表面織構(gòu)化能夠增大膜–基界面接觸面積，使涂層原子具有更大的遷移率，還可以形成機械嵌合界面。Zhang 等[57]研究了激光微納復合織構(gòu)對TiAlN 涂層附著力的影響，如圖14所示，可以發(fā)現(xiàn)未織構(gòu)化涂層界面處存在微裂紋，而織構(gòu)化涂層的結(jié)合界面結(jié)構(gòu)緊湊，形成了機械嚙合結(jié)構(gòu)，增加了裂紋擴展所需的能量，提高了膜–基界面結(jié)合強度。王雷[58]研究了熱噴涂涂層在不同類型織構(gòu)化基體表面的涂層界面結(jié)合情況（圖15），發(fā)現(xiàn)拉伸變形測試后，圖15（e）和（f）中平坦區(qū)域的界面處僅發(fā)生了輕微界面脫黏，而圖15（g）和（h）中凹陷區(qū)域與平坦區(qū)域的邊界處均出現(xiàn)了大量涂層裂紋，且涂層的脫層現(xiàn)象更明顯，這主要是由于織構(gòu)表面涂層鋪展形態(tài)的差異導致的，填充在微織構(gòu)內(nèi)的涂層與基體在結(jié)合界面處相互嵌合，形成了良好的機械嚙合界面，增大涂層脫黏所需的切應(yīng)力值，提高了界面結(jié)合強度（圖15（a）和（b））。值得注意的是，并非所有的織構(gòu)化表面都能對涂層的界面性能起到提升作用。Xu 等[59]報道了激光織構(gòu)內(nèi)部的不規(guī)則突起和織構(gòu)邊緣會對涂層的沉積質(zhì)量產(chǎn)生消極影響。Zheng 等[60]發(fā)現(xiàn)合適的織構(gòu)表面能使鎳基涂層的結(jié)合強度達到化學粗化涂層的兩倍以上，但過大的凹坑深度會使得涂層無法填滿而導致結(jié)合強度下降。

圖14 TiAlN 涂層在拋光基體和納織構(gòu)化基體上的界面結(jié)合形貌[57]Fig.14 Interfacial morphologies of TiAlN coatings deposited on polished and nano-textured substrates[57]

圖15 不同類型仿生織構(gòu)涂層的截面失效形貌[58]Fig.15 Failure morphologies of different bionic textured coatings[58]

3.2.2 涂層應(yīng)力狀態(tài)與物相變化

通常，涂層沉積前后的溫度變化以及材料間不同的熱膨脹系數(shù)會造成涂層與基體之間具有不同的熱收縮傾向，造成結(jié)合界面附近產(chǎn)生剪應(yīng)力，從而萌生微裂紋。在外界驅(qū)動力的作用下，裂紋會在界面處發(fā)生偏移，并沿著界面方向橫向擴展，這種橫向裂紋是造成涂層剝落的重要因素。本課題組通過研究發(fā)現(xiàn)，涂層–基體結(jié)合界面處的微結(jié)構(gòu)能夠在一定程度上減小涂層內(nèi)部殘余應(yīng)力，有效阻礙涂層的斷裂趨勢，從而提高涂層與基體的結(jié)合強度。此外，還深入研究了激光織構(gòu)化導致基體表面產(chǎn)生壓應(yīng)力場的機制，并指出激光織構(gòu)化基體表面的壓應(yīng)力場會使涂層的裂紋尖端臨界應(yīng)力強度因子增大，從而增強涂層的斷裂韌性。

此外，表面織構(gòu)化誘導基體物相結(jié)構(gòu)的變化也會影響涂層的結(jié)合性能。Guo 等[56]發(fā)現(xiàn)在離子束刻蝕輔助激光制備織構(gòu)的過程中，激光輻照和離子束刻蝕后會使基體的低附著力η 相減弱，從而增加膜–基界面間的化學鍵合，提升涂層界面結(jié)合力。張克棟[61]則發(fā)現(xiàn)WC/Co 硬質(zhì)合金基體表面通過激光織構(gòu)化處理后形成了與TiAlN 涂層中TiAlN 相衍射角位置相近的新物相WC1–x，從而縮小了涂層材料與基體材料之間的物理差異性，增大了膜–基界面的結(jié)合力。

3.2.3 表面潤濕性和表面能

涂層的附著性與基體表面的濕潤性和表面能也有密切關(guān)系，通常，基體表面的濕潤性能越好，其附著能力也就越強。圖16為拋光基體與織構(gòu)化基體表面在潤滑油液滴下測定的接觸角數(shù)值，可以發(fā)現(xiàn)織構(gòu)化基體表面的接觸角均小于拋光基體表面的接觸角，表現(xiàn)出更好的親油性，增強了基體表面的潤濕性[62]。Li 等[63]在等離子水和乙二醇液滴的測定下也得到了相同的結(jié)論，并將其歸因于織構(gòu)邊緣的釘扎效應(yīng)，該效應(yīng)限制了液滴的擴散，基體表面潤濕性的增強為涂層的沉積提供了更加優(yōu)越的附著表面。此外，Tillmann 等[64]通過優(yōu)化基底表面微納結(jié)構(gòu)圖案的形貌和參數(shù)，獲得了較高的比表面積和表面自由能，促進了涂層沉積。譚娜[65]研究了熱噴涂Ni60 涂層熔滴在鋼基體表面不同微凹坑織構(gòu)內(nèi)的鋪展?jié)櫇裥袨?，發(fā)現(xiàn)織構(gòu)直徑對熱噴涂顆粒在微凹坑織構(gòu)內(nèi)部的潤濕行為具有較大影響，并建立了織構(gòu)化表面粗糙度參數(shù)與噴涂液滴高溫潤濕性的聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)隨著振幅參數(shù)Ssk及空間參數(shù)Str的增加，高溫接觸角隨之增大。

圖16 拋光基體和織構(gòu)化基體表面的接觸角變化[62]Fig.16 Contact angle variations of the polished substrates and the textured substrates[62]

此外，表面織構(gòu)化預處理誘導的膜–基界面元素擴散、基體表面活化狀態(tài)改變等也會影響涂層與基體之間的界面結(jié)合行為，從而實現(xiàn)涂層結(jié)合強度的提升。Reza 等[66]發(fā)現(xiàn)基體表面織構(gòu)化預處理促進了NiCrAlY涂層與基體材料之間的原子擴散，涂層界面的斷裂韌性從3.46MPa·m1/2增加到6.96MPa·m1/2。

4 總結(jié)及展望

表面涂層技術(shù)在實現(xiàn)高端裝備部件表面耐磨、防腐、抗蝕等方面具有良好的發(fā)展前景。但就涂層的可靠性而言，傳統(tǒng)涂層構(gòu)件仍存在涂層與基體之間的界面結(jié)合差和涂層表面摩擦系數(shù)高等問題，限制了涂層的應(yīng)用?；w表面織構(gòu)化預處理是改善涂層性能的重要研究方向，國內(nèi)外眾多學者致力于表面織構(gòu)化裝備研究、工藝設(shè)計以及織構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)調(diào)控等，通過對基體表面狀態(tài)的合理調(diào)控來提升涂層表面和界面的性能，并且基體表面織構(gòu)化預處理與涂層技術(shù)協(xié)同作用的改性有效性和改性機制也得到了初步證實。然而隨著對現(xiàn)代機械高端裝備構(gòu)件要求的不斷提高，從目前的發(fā)展趨勢來看，織構(gòu)化表面涂層構(gòu)件今后可著重從以下方面開展更為深入的研究。

（1）現(xiàn)有的基體表面織構(gòu)化制備方法仍存在加工精度低、質(zhì)量差等問題，從而影響涂層的沉積效果，因此，需要進一步發(fā)展低成本、高效率、高精度的表面織構(gòu)化制造方法，提出新的制造理論和工藝；

（2）基體表面織構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)的選擇目前并未形成統(tǒng)一的體系，且其與涂層協(xié)同作用時勢必存在一個最優(yōu)范圍，因此，建立織構(gòu)參數(shù)–涂層性能之間的約束關(guān)系將是一個重要的研究方向；

（3）基體表面織構(gòu)化預處理對涂層–基體界面性能的宏觀調(diào)控機制已經(jīng)得到了初步研究，但隨著微觀理論的發(fā)展，基體表面織構(gòu)化過程中基體表層的微觀演變對涂層–基體界面間的影響仍有待探索；

（4）隨著織構(gòu)化涂層裝備構(gòu)件服役環(huán)境的復雜化和極端化發(fā)展，未來需要重點關(guān)注織構(gòu)化涂層構(gòu)件在不同苛刻服役環(huán)境下的失效形式及機制，建立面向不同服役性能下的織構(gòu)化涂層失效體系。