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硬质涂层在提高金属材料表面性能方面有着重要的作用,但其对疲劳性能的影响尚未得到深入研究,因此研究硬质涂层-金属基体体系在循环载荷作用下的膜基交互作用及疲劳裂纹萌生机制具有重要意义。本研究利用PVD方法在钛合金基体表面沉积硬质涂层,进行拉-拉轴向疲劳试验探究硬质涂层对钛合金基体疲劳性能的影响,发现硬质涂层-钛合金的疲劳裂纹萌生机制随着循环应力的降低而改变。分析了高、低循环载荷下膜基交互作用的主要表现方式:一是从宏观角度考虑,由于涂层和基体间弹性模量的差异,涂层中实际应力高于施加应力;二是从微观角度考虑,表面涂层对基体表面滑移台阶的形成具有阻碍作用,同时位错在膜基界面处的堆积也会在涂层底部产生应力集中。两种机制共同作用影响镀膜金属基体的疲劳裂纹萌生过程,但是随着施加应力的变化主导机制也发生变化。确定了高应力下膜致基体开裂是硬质涂层-金属基体材料疲劳裂纹萌生的主导因素,并阐述了疲劳裂纹萌生的机制:由于韧性基体的弹性变形能力大于表面脆性涂层,当试样的累积变形量超过硬质涂层的临界应变量时,裂纹首先在涂层中间萌生,涂层中的裂纹向着涂层表面和膜基界面快速扩展,高速扩展的裂纹在基体材料表面产生损伤微裂纹。在循环载荷的作用下表面涂层裂纹张开,基体中微裂纹尖端产生应力集中,促使微裂纹向基体材料内部缓慢扩展;当其中一条微裂纹扩展至临界尺寸后转变为疲劳主裂纹并进入稳定扩展期,其他微裂纹转变为疲劳不扩展裂纹。发现随循环应力的降低硬质涂层-金属基体的疲劳裂纹萌生机制发生改变,低循环应力下基体滑移变形导致涂层开裂是疲劳裂纹萌生的机制:基体中位错在界面堆积,造成涂层下部的应力集中,当基体位错溢出的驱动力大于涂层的断裂强度时,涂层发生脆性断裂同时基体表面形成滑移台阶,涂层裂纹张开促进了基体的局部塑性变形和基体中疲劳裂纹的萌生,因此,基体滑移导致涂层开裂加速基体塑性变形成为疲劳裂纹萌生的主导机制。通过中间层的设计提升了硬质涂层-钛合金的疲劳寿命:韧性中间层不仅通过降低涂层裂纹进入基体表面的动能而减小基体解理微裂纹的长度,同时通过缓解基体滑移台阶形成对表面涂层造成的应力集中来抑制由基体滑移导致的表面涂层开裂。因此韧性Cr中间层在高循环应力水平下提高了 TiN-TC4材料的疲劳寿命,在低循环应力水平下抑制了疲劳裂纹的萌生,从而提高了TiN-TC4材料的疲劳极限。提出了通过控制表面残余应力实现带有涂层的金属材料表面硬度和耐磨性的提升,即通过在PVD硬质涂层沉积过程中改变中间层的沉积温度来调控涂层中的残余压应力,较高的残余压应力提高了涂层开裂的临界应力和耐磨性。