PVD 表面处理对钛合金基体疲劳性能影响的研究进展

   钛合金因其优良的综合性能而被广泛应用于航空航天等领域 。然而钛合金表面硬度低、摩擦磨损性能较差，尤其是当钛合金与其他材料发生接触时，就极易造成微动或粘着磨损，与硬质材料碰撞后，易使钛合金零件形貌或尺寸发生改变，并且产生接触腐蚀，从而严重限制了钛合金在各领域的应用。

   钛合金表面改性对其疲劳性能的影响显得尤为关键。因此本文综述了 PVD 涂层对钛合金基体疲劳性能的影响。本文章将从多层涂层抗裂纹扩展、断裂机理了解 PVD 涂层对钛合金疲劳行为的影响。

   1 多层涂层抗裂纹扩展、断裂机理

   在软 / 硬多层涂层结构的研究中，其软层拥有充分的延展性，如 Cr/CrN 多层涂层中的 Cr，显著改变了裂纹扩展的条件。然而，只有在理解涂层结构与机械加载过程中出现的现象之间的关系以及涂层微观结构与性能之间的关系后，才能更系统地设计并制备出所需性能的多层结构涂层。

   P.Wieciński 等做了许多针对多层涂层调制结构方面的工作，其 中研究了纳米结构 Cr/CrN 多层涂层在钛合金基体上压痕过程中的组织演变。利用 PVD 真空电弧法在 Ti-6Al-4V 合金表面沉积了 五种多层（Cr/CrN）×8 涂层。涂层具有相同的总厚度和构成层数，但 Cr 和 CrN 构成层的厚度比（QCr/CrN 参数）不同。使用 Berkovich 压头在 1N 的载荷下进行压痕测量。研究表明，应用的多层结构涂层显著提高了钛合金的硬度，涂层的硬度取决于 Cr 和 CrN 构成层的厚度比，在 10 至 35GPa 的范围内变化。

 图 1 多层涂层压痕区图像（QCr/CrN=0.81;负载 =1N） （a）表面的 SEM 显微照片 ；（b）沉积碳保护层 ；（c）有明显裂纹的压痕区 的横截面 ；（d）压头表面和尖端下方的裂缝和微观结构变化

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  为了深入探究裂纹扩展的变形机理，观察压痕区域的图像，如图 1 为 QCr/CrN=0.81 的多层涂层在 1 N 压头载荷下的图像。（图 1b）中可观察到经切割后的压头表面，尖端和边缘下面的区域。基于这些观察结果，可以得出结论 ：由压头引起的大部分塑性变形通过涂层转移到基底材料上（图 1c）。尽管涂层经历了永久变形，但是在观察到的压痕区域中发现涂层与基底之间或者在 Cr 与 CrN 层之间没有横向裂纹和分层。这归因于界面的影响以及韧性 Cr 层存在的作用， 其更多的容纳了塑性变形并且和硬脆性的 CrN 层之间结合牢固。然而在微观结构中观察到径向裂纹（图 1c），这些小裂缝并未穿透涂层的整个厚度，它们发生在单一层的厚度 范围内，主要位置包括 ：

   ①压头尖端，靠近基底和涂层之间的界面 ；

   ②压头的表面，位于尖端和压痕末端之间的中间部位 ；

   ③压痕末端的压头边缘位置。同时发现压头边缘下的裂纹的数量和尺寸小于尖端和表面下的裂纹数量和尺寸。这表明压头引起的应力集中在这些区域较高。从（图 1d）中可以发现，径向裂纹仅在 CrN 层中可观察到，而韧性 Cr 层没有。说明裂纹在 CrN 和 Cr 层之间的界面处被阻断。

   根据 Hall-Petch 效应，由于在不同层之间的界面阻挡了位错运动，所以对于较小的双层厚度通常拥有更好的性能。因此，可以通过减小各层的厚度以提高机械性能。Yonekura 等在这方面做了大量工作，他们先在两种不同的偏压下通过电弧离子镀法在 TC4 钛合金基底上进行 CrN 单 层的沉积。其中通过在低偏压下沉积获得的涂层疲劳强度有所增加，而在高偏压条件下沉积的涂层疲劳强度明显下降。可以预期，通过使用具有延性间隙层的多层结构涂层在低偏压条件下沉积能够改善钛合金疲劳性能。Yonekura 等还针对多层结构中 Cr 层和 CrN 层的厚度进行了研究，发现具有足够厚度的 Cr 层在 3~5 层涂层结构下能够增强疲劳抗性。然而，在双层涂层的情况下，由于 Cr/CrN 仅有一个界面， 在厚的 CrN 层中开始的裂缝很长，即使 Cr 层比 3~5 层涂层中 Cr 的总厚更厚，也会有部分裂纹渗入 Cr 层。从而可以预测，增加多层 Cr/CrN 的界面数量和减薄 CrN 层厚度都可以提高多层涂层的疲劳抗性。

   结合文献发现，在疲劳试验中，除 PVD 涂层中的裂纹萌生和扩展外，钛合金基体近表面处也常常诱发裂纹的萌生。因此强化钛合金近表面是改善其疲劳抗性的有效手段。利用相关钛合金原位表面改性手段复合 PVD 涂层，获得复合涂层从而提高涂层 - 基体的抗疲劳性是理论可行的手段。

   复合涂层是指 PVD 涂层（单层或多层）与其它表面改性技术（如喷丸 / 喷砂预处理、渗镀层、微弧氧化 / 阳极氧化等） 的复合表面改性涂层 , 形成一种带过渡层的双层或多层复合涂层。复合涂层是由强化层、结合层和耐磨层 3 个分层组成。其中强化层提高材料表面强度，形成耐磨层与基体间的硬度梯度中间层，对耐磨层起支撑作用 ；耐磨层通常由致密的硬质涂层构成，提高耐磨性 ；结合层为强化层与耐磨层之间的过渡层 , 提高两层间的结合力。

   Mǖnz 等对比了未渗氮与渗氮基体在镀膜后的疲劳断裂过程，提出了涂层的疲劳失效机制。涂层在受力过程中，裂纹萌生发生在基体的近表面区域，随着循环载荷的持续施加，裂纹不断扩展并进入涂层 , 最终导致涂层的破裂。与未渗氮的软基体相比，在相同循环载荷条件下 , 渗氮处理后的样品裂纹源难以在基体的近表面区域生成，产生裂纹的倾向相对降低，从而提高了涂层 - 基体抗疲劳性能。

   Oka等人研究了在基体等离子体氮化后利用离子镀技术沉积了CrN陶瓷涂层，并对CrN涂层的疲劳试验分别在室温和723K下进行实验。结果表明，采用复合涂层处理可以明显提高基体的抗疲劳性能。

   关于复合涂层对钛合金基体疲劳性能影响的研究较少， 但依据现有研究和理论基础，可以大胆推测该方法具有一定的可行性。总之，涂层基本参数，包括 ：膜基结合力、表面质量、残余应力、界面状态、塑性变形抗力（H3 /E2 ）对基体疲劳性能均具有重大影响。因此从选择适当的材料、涂层制备参数、涂层结构设计以及复合表面处理技术的应用等多方面入手，综合以上性能选择出对钛合金基体疲劳性能影响最小甚至有益的涂层对未来钛合金表面改性具有重要参考意义。

   3 总结与展望

   针对钛合金存在的耐磨性差、易氧化腐蚀及表面硬度低等缺陷，利用 PVD 技术，选择适当的涂层材料及结构可使这些性能得以改善。但由于钛合金疲劳敏感性极强，在表面沉积涂层后往往对疲劳性能造成一定的影响。因此本文针对 PVD 涂层对钛合金基体疲劳性能的影响进行综述，归纳如下 ：

  （1）表面平整缺陷少且为残余压应力的涂层对钛合金基体疲劳性能负面作用小 ；具有韧性相材料的 PVD 硬质涂层更耐疲劳 ；涂层的硬弹比（H/E）和塑性变形抵抗力（H3 / E2 ）对抗裂纹萌生起到关键作用，对钛合金基体疲劳性能产生正相关影响。

  （2）软硬交替的多层结构涂层可抗裂纹萌生、扩展和断裂，对提高钛合金基体疲劳抗性有一定的作用，是钛合金面PVD涂层的研究发展方向。

   因此，如何选择合适的涂层制备方法及恰当的涂层材料、结构，使涂层对钛合金疲劳性能的负面影响得以改善， 这是目前钛合金表面改性急需解决的主要问题之一。