基于反演分析法探究殘余壓應(yīng)力對(duì)疊層涂層拉伸性能的影響

摘要：涂層廣泛應(yīng)用于各類重要零部件表面以提升其使用壽命，研究涂層的力學(xué)性能是評(píng)價(jià)該項(xiàng)技術(shù)優(yōu)劣程度的一個(gè)關(guān)鍵因素。采用真空離子鍍膜技術(shù)在鋁基復(fù)合材料表面制備TiAlN/Ti 和TiN/Ti 疊層涂層，并通過掃描電鏡（Scanning Electron Microscopy， SEM）、X射線衍射儀（X-Ray Diffraction， XRD）和納米壓痕測試儀對(duì)涂層的微觀結(jié)構(gòu)、物相組成和力學(xué)性能進(jìn)行表征和分析。基于量綱分析理論推導(dǎo)出材料力學(xué)性能參數(shù)與納米壓痕加/卸載參量之間的量綱一函數(shù)關(guān)系，結(jié)合有限元模擬的方法，確定其具體表達(dá)式。通過建立疊層涂層的納米壓痕仿真模型，分析了殘余壓應(yīng)力對(duì)疊層涂層拉伸性能的影響。結(jié)果表明，殘余壓應(yīng)力可以提高疊層涂層的屈服強(qiáng)度。其中，TiN/Ti疊層涂層的殘余壓應(yīng)力為?564 MPa，提高了31. 25%的屈服強(qiáng)度；TiAlN/Ti疊層涂層的殘余壓應(yīng)力為?871 MPa，提高了50%的屈服強(qiáng)度。此方法為定量分析涂層力學(xué)性能的影響因素提供了重要的理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：納米壓痕；疊層涂層；殘余壓應(yīng)力；有限元；反演分析

中圖分類號(hào)：TG174. 444；V261. 933 DOI： 10. 16579/j. issn. 1001. 9669. 2025. 04. 010

0 引言

涂層因具備抗高溫、耐腐蝕、抗沖擊等特性，而被廣泛應(yīng)用于保護(hù)在惡劣環(huán)境中工作的零部件。例如，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片和風(fēng)力渦輪機(jī)葉片上使用的鈦基涂層，可以有效增強(qiáng)其抗沖蝕和耐腐蝕性能，延長其使用壽命［1-4］。常見的防護(hù)涂層包括TiN、TiAlN、ZrN和CrN等硬質(zhì)涂層［5-8］。然而，由于這些涂層整體脆性較高，附著于基體的能力不佳，且易在成型或動(dòng)態(tài)載荷下產(chǎn)生微裂紋，進(jìn)而斷裂，最終降低涂層防護(hù)的可靠性［9］。目前，單層涂層中引入金屬層形成多層結(jié)構(gòu)已成為解決這一問題的優(yōu)化方案。金屬層具有良好的延展性，具有較好的裂紋擴(kuò)展阻力，從而提高涂層整體的斷裂韌性［10-11］。因此，對(duì)疊層涂層的研究成為抗沖蝕涂層領(lǐng)域中的主流方向，深入探究疊層涂層韌脆比或保障疊層涂層的變形協(xié)調(diào)能力，從而提高其力學(xué)性能是提升該項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵所在。

由于疊層涂層的厚度通常處于微納米級(jí)別，傳統(tǒng)的力學(xué)性能測試手段難以準(zhǔn)確評(píng)估其彈塑性性能。納米壓痕技術(shù)為探測涂層、塊體以及薄膜材料的局部力學(xué)性能提供了一種有效手段［12-14］。該技術(shù)的核心在于壓痕載荷和壓痕位移（深度）的關(guān)系，通過分析納米壓痕的載荷位移曲線可獲得材料的各類基本力學(xué)性能參數(shù)，如彈性模量、硬度和斷裂韌性等［15-17］。近年來，隨著有限元仿真計(jì)算能力的發(fā)展與進(jìn)步，許多研究工作采用有限元模擬結(jié)合量綱分析理論對(duì)塊體或者涂層材料進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的反演計(jì)算［18-19］。CHENG等［20］、DAO等［21］3899-3918基于量綱分析理論建立了有關(guān)錐形壓痕問題的量綱一函數(shù)關(guān)系，其中壓痕的載荷由被測材料的彈性模量、屈服強(qiáng)度、硬化指數(shù)等參數(shù)和壓痕深度通過量綱一函數(shù)聯(lián)系起來；然后通過有限元模擬計(jì)算確定函數(shù)的具體表達(dá)式，獲得被測材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。隨后的研究工作多以BEN等［22］的方法為基礎(chǔ)，對(duì)壓痕反演體系進(jìn)行優(yōu)化。馬增勝［23］31-61考慮了壓頭形狀和摩擦因數(shù)對(duì)反推結(jié)果的影響，推導(dǎo)出包含壓頭形狀、摩擦因數(shù)參量的量綱一函數(shù)表達(dá)式，反推得到了精度較高的鎳薄膜應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。NOII等［24］采用數(shù)值優(yōu)化的方法從壓痕加載-卸載曲線中提取涂層的彈塑性特性。通過最小化目標(biāo)數(shù)據(jù)與壓痕有限元分析結(jié)果之間的誤差來確定非線性各向同性材料的彈塑性參數(shù)，可很好地表征涂層材料的固有特性。隨著機(jī)器學(xué)習(xí)的興起，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)的方法也運(yùn)用在壓痕法反演材料力學(xué)性能的過程中［25］，并在實(shí)踐中證明了這種方法有較高的可靠性。