基于反演分析法探究殘余壓應力對疊層涂層拉伸性能的影響

摘要：涂層廣泛應用于各類重要零部件表面以提升其使用壽命，研究涂層的力學性能是評價該項技術優劣程度的一個關鍵因素。采用真空離子鍍膜技術在鋁基復合材料表面制備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涂層的微觀結構、物相組成和力學性能進行表征和分析。基于量綱分析理論推導出材料力學性能參數與納米壓痕加/卸載參量之間的量綱一函數關系，結合有限元模擬的方法，確定其具體表達式。通過建立疊層涂層的納米壓痕仿真模型，分析了殘余壓應力對疊層涂層拉伸性能的影響。結果表明，殘余壓應力可以提高疊層涂層的屈服強度。其中，TiN/Ti疊層涂層的殘余壓應力為?564 MPa，提高了31. 25%的屈服強度；TiAlN/Ti疊層涂層的殘余壓應力為?871 MPa，提高了50%的屈服強度。此方法為定量分析涂層力學性能的影響因素提供了重要的理論和試驗基礎。

關鍵詞：納米壓痕；疊層涂層；殘余壓應力；有限元；反演分析

中圖分類號：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，而被廣泛應用于保護在惡劣環境中工作的零部件。例如，在航空發動機葉片和風力渦輪機葉片上使用的鈦基涂層，可以有效增強其抗沖蝕和耐腐蝕性能，延長其使用壽命［1-4］。常見的防護涂層包括TiN、TiAlN、ZrN和CrN等硬質涂層［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，且易在成型或動態載荷下產生微裂紋，進而斷裂，最終降低涂層防護的可靠性［9］。目前，單層涂層中引入金屬層形成多層結構已成為解決這一問題的優化方案。金屬層具有良好的延展性，具有較好的裂紋擴展阻力，從而提高涂層整體的斷裂韌性［10-11］。因此，對疊層涂層的研究成為抗沖蝕涂層領域中的主流方向，深入探究疊層涂層韌脆比或保障疊層涂層的變形協調能力，從而提高其力學性能是提升該項技術的關鍵所在。

由于疊層涂層的厚度通常處于微納米級別，傳統的力學性能測試手段難以準確評估其彈塑性性能。納米壓痕技術為探測涂層、塊體以及薄膜材料的局部力學性能提供了一種有效手段［12-14］。該技術的核心在于壓痕載荷和壓痕位移（深度）的關系，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性能參數，如彈性模量、硬度和斷裂韌性等［15-17］。近年來，隨著有限元仿真計算能力的發展與進步，許多研究工作采用有限元模擬結合量綱分析理論對塊體或者涂層材料進行應力應變關系的反演計算［18-19］。CHENG等［20］、DAO等［21］3899-3918基于量綱分析理論建立了有關錐形壓痕問題的量綱一函數關系，其中壓痕的載荷由被測材料的彈性模量、屈服強度、硬化指數等參數和壓痕深度通過量綱一函數聯系起來；然后通過有限元模擬計算確定函數的具體表達式，獲得被測材料的應力應變關系。隨后的研究工作多以BEN等［22］的方法為基礎，對壓痕反演體系進行優化。馬增勝［23］31-61考慮了壓頭形狀和摩擦因數對反推結果的影響，推導出包含壓頭形狀、摩擦因數參量的量綱一函數表達式，反推得到了精度較高的鎳薄膜應力應變關系。NOII等［24］采用數值優化的方法從壓痕加載-卸載曲線中提取涂層的彈塑性特性。通過最小化目標數據與壓痕有限元分析結果之間的誤差來確定非線性各向同性材料的彈塑性參數，可很好地表征涂層材料的固有特性。隨著機器學習的興起，基于神經網絡深度學習的方法也運用在壓痕法反演材料力學性能的過程中［25］，并在實踐中證明了這種方法有較高的可靠性。