傳統(tǒng)理論認為硬質(zhì)保護涂層可以通過提高金屬承載結(jié)構(gòu)的表面硬度和耐磨性來改善其機械性能。然而，大量的實驗表明，硬質(zhì)涂層在不同程度上降低了金屬基體的疲勞壽命，極大地限制了涂層的應(yīng)用。一般來說，疲勞裂紋萌生階段占整個疲勞壽命的90%以上，是承載結(jié)構(gòu)疲勞破壞的主要階段。因此，研究硬質(zhì)涂層如何影響韌性金屬基體的疲勞裂紋萌生機制，進而建立理論來緩解甚至消除這種現(xiàn)象是非常必要的。

目前，硬質(zhì)涂層對金屬基體疲勞性能不利影響的機理主要基于“缺口效應(yīng)”模型。涂層一旦斷裂會在基體界面附近引起附加應(yīng)力集中，不可避免地加速疲勞裂紋的萌生過程。根據(jù)該模型，涂層斷裂不會改變疲勞裂紋源的位置，只是促進了疲勞裂紋萌生過程，沒有改變疲勞裂紋萌生機制。然而，基于該模型的一些實驗現(xiàn)象卻難以解釋。首先，涂層開裂引起基體疲勞斷口形貌的變化。例如，對于從基體內(nèi)部萌生的疲勞裂紋萌生源，涂層開裂導(dǎo)致疲勞裂紋萌生源位置由內(nèi)部向表面轉(zhuǎn)變，這被認為是加速基體疲勞失效的關(guān)鍵。這表明涂層開裂改變了疲勞裂紋萌生機制。其次，一些硬質(zhì)涂層對基體的疲勞性能有積極的影響。例如，具有較大殘余壓應(yīng)力和良好延展性的硬質(zhì)涂層可以提高基體的疲勞性能，即使它們在外加循環(huán)應(yīng)力下不可避免地已經(jīng)開裂并在基體上形成顯著的應(yīng)力集中。這說明“缺口效應(yīng)”模型雖然可以解釋一些已報道的實驗現(xiàn)象，但并不能揭示涂層開裂降低基體疲勞性能的本質(zhì)。因此，需要另一種新的模型來理解脆性涂層斷裂引起的金屬基體裂紋形核。

北京科技大學(xué)北京材料基因工程高精尖創(chuàng)新中心的研究團隊通過物理氣相沉積的方法在鈦合金表面沉積硬質(zhì)涂層，利用拉-拉軸向疲勞測試方法研究了高、低循環(huán)應(yīng)力下硬質(zhì)涂層對鈦合金疲勞裂紋萌生機制的影響，并建立了“高應(yīng)力下膜致基體解理開裂+低應(yīng)力下基體滑移致涂層開裂”的硬質(zhì)涂層-韌性基體體系疲勞裂紋萌生新機制。研究成果以論文“Stress-sensitive fatigue crack initiation mechanisms of coated titanium alloy”發(fā)表在Acta Materialia。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117179

本研究選用的基體為TC4鈦合金，在沉積涂層之前對試樣進行嚴格的拋光，以去除試樣表面缺陷的影響。涂層厚度約為5?m，呈致密柱狀晶結(jié)構(gòu)，拉-拉軸向疲勞測試應(yīng)力比為0.1，頻率R=60 Hz，正弦波形加載。

疲勞測試結(jié)果顯示涂層降低了鈦合金的疲勞極限，而對疲勞裂紋源的觀察可以看到，鈦合金試樣的疲勞裂紋源呈現(xiàn)典型的亞表面無缺陷疲勞裂紋源特征，而高應(yīng)力下鍍膜試樣的疲勞裂紋源呈現(xiàn)從膜基界面向基體內(nèi)部擴展的河流狀花樣，這表明涂層開裂改變了基體的疲勞裂紋萌生機制，疲勞裂紋在界面處萌生，涂層裂紋未在界面處停止而滲透到基體中，涂層與基體之間的裂紋是連續(xù)的，涂層開裂主導(dǎo)的膜致基體解理開裂成為疲勞裂紋萌生的主要機制。低應(yīng)力下覆膜試樣的裂紋源呈現(xiàn)與基體材料疲勞裂紋源相似的亞表面無缺陷疲勞裂紋源特征，疲勞裂紋開始于次表面，涂層和基體中的裂紋是不連續(xù)的。基體滑移臺階導(dǎo)致涂層斷裂，在已被位錯堆積擠壓的脆性α相上形成附加應(yīng)力集中，加速了亞表面疲勞裂紋萌生。

圖1 (a)疲勞試樣尺寸及(b)拉-拉軸向疲勞測試結(jié)果:帶有涂層鈦合金基體疲勞極限應(yīng)力顯著下降并且在某臨界應(yīng)力附件出現(xiàn)裂紋形核機制不同

圖2 不同循環(huán)應(yīng)力下的TiN-TC4試樣疲勞裂紋源形貌及位置統(tǒng)計結(jié)果：低于臨界應(yīng)力疲勞裂紋形核于界面附近的鈦合金基體中，高于臨界應(yīng)力裂紋形核于涂層/基體界面處