北科大《Acta Materialia》：新机制！硬质涂层-金属基体的疲劳裂纹萌生

传统理论认为硬质保护涂层可以通过提高金属承载结构的表面硬度和耐磨性来改善其机械性能。然而，大量的实验表明，硬质涂层在不同程度上降低了金属基体的疲劳寿命，极大地限制了涂层的应用。一般来说，疲劳裂纹萌生阶段占整个疲劳寿命的90%以上，是承载结构疲劳破坏的主要阶段。因此，研究硬质涂层如何影响韧性金属基体的疲劳裂纹萌生机制，进而建立理论来缓解甚至消除这种现象是非常必要的。

目前，硬质涂层对金属基体疲劳性能不利影响的机理主要基于“缺口效应”模型。涂层一旦断裂会在基体界面附近引起附加应力集中，不可避免地加速疲劳裂纹的萌生过程。根据该模型，涂层断裂不会改变疲劳裂纹源的位置，只是促进了疲劳裂纹萌生过程，没有改变疲劳裂纹萌生机制。然而，基于该模型的一些实验现象却难以解释。首先，涂层开裂引起基体疲劳断口形貌的变化。例如，对于从基体内部萌生的疲劳裂纹萌生源，涂层开裂导致疲劳裂纹萌生源位置由内部向表面转变，这被认为是加速基体疲劳失效的关键。这表明涂层开裂改变了疲劳裂纹萌生机制。其次，一些硬质涂层对基体的疲劳性能有积极的影响。例如，具有较大残余压应力和良好延展性的硬质涂层可以提高基体的疲劳性能，即使它们在外加循环应力下不可避免地已经开裂并在基体上形成显著的应力集中。这说明“缺口效应”模型虽然可以解释一些已报道的实验现象，但并不能揭示涂层开裂降低基体疲劳性能的本质。因此，需要另一种新的模型来理解脆性涂层断裂引起的金属基体裂纹形核。

北京科技大学北京材料基因工程高精尖创新中心的研究团队通过物理气相沉积的方法在钛合金表面沉积硬质涂层，利用拉-拉轴向疲劳测试方法研究了高、低循环应力下硬质涂层对钛合金疲劳裂纹萌生机制的影响，并建立了“高应力下膜致基体解理开裂+低应力下基体滑移致涂层开裂”的硬质涂层-韧性基体体系疲劳裂纹萌生新机制。研究成果以论文“Stress-sensitive fatigue crack initiation mechanisms of coated titanium alloy”发表在Acta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117179

本研究选用的基体为TC4钛合金，在沉积涂层之前对试样进行严格的抛光，以去除试样表面缺陷的影响。涂层厚度约为5µm，呈致密柱状晶结构，拉-拉轴向疲劳测试应力比为0.1，频率R=60 Hz，正弦波形加载。

疲劳测试结果显示涂层降低了钛合金的疲劳极限，而对疲劳裂纹源的观察可以看到，钛合金试样的疲劳裂纹源呈现典型的亚表面无缺陷疲劳裂纹源特征，而高应力下镀膜试样的疲劳裂纹源呈现从膜基界面向基体内部扩展的河流状花样，这表明涂层开裂改变了基体的疲劳裂纹萌生机制，疲劳裂纹在界面处萌生，涂层裂纹未在界面处停止而渗透到基体中，涂层与基体之间的裂纹是连续的，涂层开裂主导的膜致基体解理开裂成为疲劳裂纹萌生的主要机制。低应力下覆膜试样的裂纹源呈现与基体材料疲劳裂纹源相似的亚表面无缺陷疲劳裂纹源特征，疲劳裂纹开始于次表面，涂层和基体中的裂纹是不连续的。基体滑移台阶导致涂层断裂，在已被位错堆积挤压的脆性α相上形成附加应力集中，加速了亚表面疲劳裂纹萌生。

图1 (a)疲劳试样尺寸及(b)拉-拉轴向疲劳测试结果:带有涂层钛合金基体疲劳极限应力显著下降并且在某临界应力附件出现裂纹形核机制不同

图2 不同循环应力下的TiN-TC4试样疲劳裂纹源形貌及位置统计结果：低于临界应力疲劳裂纹形核于界面附近的钛合金基体中，高于临界应力裂纹形核于涂层/基体界面处

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。