抗熱震性是硬質(zhì)涂層的重要性能之一，直接影響到硬質(zhì)涂層的使用效果和使用壽命。簡述了硬質(zhì)涂層熱震損傷的熱彈性理論和能量理論以及氧化損傷機(jī)理，討論了硬質(zhì)涂層抗熱震性的測試及表征方法。對硬質(zhì)涂層熱震損傷的主要影響因素進(jìn)行了詳細(xì)分析和評價，提出了改善硬質(zhì)涂層抗熱震性能的方法和途徑。

　　涂層對抗溫度影響的性能稱為涂層的熱震性，涂層抗熱震性的強(qiáng)弱直接影響工件使用效果和使用壽命。熱震循環(huán)試驗是現(xiàn)有的檢驗涂層抗熱震性的主要手段和表征依據(jù)，熱應(yīng)力是引起涂層熱損傷的主要原因。隨著涂層材料越來越多地應(yīng)用在生產(chǎn)中，對涂層抗熱震性的研究逐漸受到重視，主要體現(xiàn)在對熱障涂層等功能性涂層的熱震研究上；而對于硬質(zhì)涂層的熱震研究還很不充分。

　　熱震試驗是由普通結(jié)構(gòu)材料抗熱震性研究方法演變而來。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.lalazzu.cn/)認(rèn)為對于結(jié)構(gòu)材料，熱應(yīng)力可引起材料產(chǎn)生裂紋，當(dāng)溫度與熱應(yīng)力強(qiáng)烈周期性變化，會促進(jìn)裂紋擴(kuò)展而導(dǎo)致材料破壞。例如，研究發(fā)現(xiàn)，切削冷卻后的WC-Co 刀具的最大拉應(yīng)力達(dá)20000 MPa，而最大壓應(yīng)力可達(dá)18000MPa，這樣大的熱應(yīng)力會造成熱裂紋的產(chǎn)生或擴(kuò)展。

　　熱應(yīng)變與熱應(yīng)力周期性循環(huán)變化也會造成硬質(zhì)涂層內(nèi)裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，從而影響硬質(zhì)涂層工件的使用壽命。硬質(zhì)涂層材料與普通結(jié)構(gòu)材料在實際使用服役過程與環(huán)境以及材料本身等均有所不同，因此有必要對硬質(zhì)涂層的熱震性做詳細(xì)的分析探討，并通過分析熱震損傷機(jī)制及表征方法，尋求提高硬質(zhì)涂層抗熱震性的途徑和方法。

1、硬質(zhì)涂層熱震損傷的相關(guān)理論

　　熱應(yīng)力造成硬質(zhì)涂層熱損傷相應(yīng)的機(jī)理主要有兩種：熱彈性理論和能量理論，也稱之為熱震斷裂理論和熱震損傷理論。此外，熱震過程中不可避免地引起膜層氧化發(fā)生。

　　1.1、熱彈性理論

　　彈性理論認(rèn)為涂層的固有強(qiáng)度在不能抵抗熱震溫差所引起的熱應(yīng)力時，涂層內(nèi)部會瞬時形成裂紋并開始擴(kuò)展。因此，將涂層的固有強(qiáng)度與熱應(yīng)力之間的關(guān)系作為涂層抗熱震破壞的依據(jù)。涂層與基體之間由于膨脹、收縮系數(shù)和靈敏度等不同，在溫度急劇變化時，涂層內(nèi)部會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。循環(huán)急冷急熱過程中，膨脹和收縮受到約束，熱應(yīng)力積攢。積攢的熱應(yīng)力大于涂層材料的固有應(yīng)力時，涂層內(nèi)部瞬間萌生裂紋，隨著熱震的繼續(xù)進(jìn)行，裂紋開始擴(kuò)展。抗熱震損傷性能好的涂層應(yīng)具備盡可能高的彈性模量。熱彈性理論只注重涂層內(nèi)裂紋的成核而忽略了裂紋的擴(kuò)展，裂紋彈性理論是在假定硬質(zhì)涂層固有狀態(tài)不存在微裂紋及微孔的情況下解釋熱震損傷的機(jī)理，但實際涂層中總是或多或少地存在微裂紋和微孔。硬質(zhì)涂層材料熱震的前期，熱應(yīng)力小于涂層的固有強(qiáng)度，涂層中原有的裂紋不會發(fā)生擴(kuò)展。

　　1.2、能量理論

　　Hasselman 等人以材料中固有狀態(tài)下存在微裂紋或微孔為理論基礎(chǔ)，針對單次加熱冷卻研究涂層的熱震性， 發(fā)現(xiàn)其機(jī)理主要是能量理論。Hasselman 等人定義了一個臨界溫差ΔTc，當(dāng)溫度急變(ΔTc)引起的熱沖擊應(yīng)力超過涂層的固有強(qiáng)度時，涂層內(nèi)會瞬間產(chǎn)生裂紋。

　　硬質(zhì)涂層熱震過程中，基體與涂層及層與層之間由于膨脹系數(shù)不同，基體和涂層及各層之間會產(chǎn)生軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力。其中軸向應(yīng)力會對界面上原有的微裂紋和微孔造成循環(huán)的擴(kuò)展和壓縮作用，使徑向的微孔邊緣及微裂紋尖端容易形成應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋的萌生和擴(kuò)展，進(jìn)而形成水平裂紋。隨著熱震進(jìn)行，水平裂紋最終連在一起，導(dǎo)致涂層脫落。實際上，硬質(zhì)涂層中總是或多或少存在微裂紋及微型孔洞，能量理論解釋了這些裂紋和微孔在熱震過程中如何造成硬質(zhì)涂層熱震損傷。

　　1.3、氧化作用過程與機(jī)理

　　硬質(zhì)涂層在熱震過程中，伴隨有涂層甚至基體的氧化。氧化作用往往使得涂層變得較為疏松，如TiN 在熱震過程中生成疏松的TiO2。TiO2的形成使涂層的硬度和耐高溫性得到一定的提高，但疏松的TiO2 會給氧侵入涂層或穿過涂層氧化基體提供通道。涂層中原有的軸向微孔和微裂紋在熱震過程中擴(kuò)展后貫穿涂層或原本就貫穿涂層也會給氧提供入侵的；涂層在熱震過程中自身的氧化會降低氧腐蝕基體的阻力。微型通道使氧得以進(jìn)一步侵入涂層內(nèi)部和穿過涂層氧化基體。氧化反應(yīng)機(jī)制會在涂層和基體間產(chǎn)生氧化應(yīng)力，氧化應(yīng)力會使涂層與涂層、涂層與基體間的結(jié)合力嚴(yán)重下降。

　　基體表面被氧化會在基體與涂層的界面上形成微小區(qū)域的氧化物膜層，隨著氧化物膜逐漸長大，相鄰的氧化膜層相連，在涂層與基體間形成氧化物隔層。氧化物隔層會導(dǎo)致涂層與基體的結(jié)合力嚴(yán)重下降甚至使涂層脫落。一般而言，大多數(shù)硬質(zhì)涂層氧化應(yīng)力對失效的作用比熱應(yīng)力小。

　　2、硬質(zhì)涂層抗熱震性測試和表征方法

　　對于硬質(zhì)涂層抗熱震性的測試方法，主要由普通材料抗熱震性的測試方法演變而來；表征大多數(shù)都是以涂層內(nèi)出現(xiàn)裂紋、開裂或剝落時的溫差或熱震循環(huán)次數(shù)為衡量依據(jù)。硬質(zhì)涂層抗熱震性的測試方法主要有以下兩種：

　　a、將材料升至不同的溫度后，淬冷(風(fēng)冷或水冷)，單次循環(huán)，得出涂層產(chǎn)生裂紋的最大溫差。這種試驗方法主要用于測試涂層單次循環(huán)所能承受的最大溫差和涂層能承受的最大熱應(yīng)力；

　　b、將材料升致預(yù)定的溫度后，淬冷(風(fēng)冷或水冷)，多次循環(huán)，得出涂層出現(xiàn)宏觀裂紋時的循環(huán)次數(shù)，同時也要觀察裂紋萌生及擴(kuò)展的速度和方式。

　　第二種測試方法更貼近于涂層在實際應(yīng)用時的熱震狀態(tài)，其數(shù)據(jù)更具使用價值。

　　硬質(zhì)涂層的熱震破壞分為2 類：第一、熱沖擊作用下涂層瞬時開裂的熱震斷裂；第二、循環(huán)熱沖擊作用下涂層開裂、剝落的熱震損傷。相應(yīng)地，表征方法分為：第一、單次循環(huán)測涂層開裂的臨界溫差ΔT；第二、多次恒溫差循環(huán)后涂層出現(xiàn)宏觀裂紋的循環(huán)次數(shù)。

　　盡管這些方法直接給出了硬質(zhì)涂層的熱震效果，但從硬質(zhì)涂層的實際應(yīng)用考慮，還是有所欠缺的。比如熱震過程中硬質(zhì)涂層的硬度會隨溫度的變化而發(fā)生較大的改變，這種變化往往使得涂層的硬度降低。因此，當(dāng)涂層出現(xiàn)裂紋之前，涂層的硬度往往早已達(dá)不到實際所需要的硬度。硬質(zhì)涂層在硬度不能滿足工作要求的情況下繼續(xù)使用很可能會對基體造成破壞。這種不可逆的破壞，降低了涂層的使用壽命。在硬質(zhì)涂層抗熱震性測試試驗過程中可以在每次循環(huán)之后除了必備的檢查涂層中裂紋的狀態(tài)外，附加測試涂層的硬度，畫出硬度變化曲線。這樣一來，結(jié)合涂層硬度隨熱震循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，硬質(zhì)涂層的抗熱震性測試試驗將更具說服力。

3、硬質(zhì)涂層抗熱震性改善方法與途徑

　　3.1、改善硬質(zhì)涂層和基體的物理穩(wěn)定性

　　硬質(zhì)涂層抗熱震阻力的強(qiáng)弱，直接取決于涂層自身的相關(guān)屬性以及涂層與基體抗熱震性相關(guān)屬性的匹配是否合理。這可以從以下幾方面考慮：

　　a、根據(jù)抗熱震因子計算公式，R=pλ/Ea，涂層與基體的熱膨脹系數(shù)的匹配程度對涂層熱震穩(wěn)定性影響很大。由于金屬、合金的熱膨脹系數(shù)較大，而硬質(zhì)涂層的熱膨脹系數(shù)較小，降低涂層與基體的熱膨脹系數(shù)的差值或使涂層的熱膨脹系數(shù)略大于基體(熱震時會產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力)。降低涂層熱震過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力，從而使其具有較高的熱震穩(wěn)定性。

　　b、高韌性的硬質(zhì)涂層和基體能提高對塑性變形功和斷裂功的吸收能力，阻礙裂紋的萌生及擴(kuò)展。通過提高涂層和基體的韌性，進(jìn)而提高硬質(zhì)涂層裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展的門檻值，則可以有效改善硬質(zhì)涂層的熱震阻力。

　　c、降低硬質(zhì)涂層在熱震過程中所產(chǎn)生的熱應(yīng)力也是一個改善硬質(zhì)涂層熱震阻力的可行途徑。在實際涂層與基體的配合選擇上，盡量降低涂層與基體的膨脹系數(shù)之差，從而降低膨脹和收縮時因涂層與基體不一致所引起的的應(yīng)力積累。

　　d、最后，適當(dāng)增加涂層內(nèi)的微孔數(shù)量可以一定程度上緩解和松弛應(yīng)力，使其能承受的熱應(yīng)力更大，從而提高硬質(zhì)涂層的熱震性。然而，一旦微孔數(shù)量過多則會降低涂層和基體的氧化阻力，同樣會引起涂層失效。

　　3.2、改善硬質(zhì)涂層和基體的化學(xué)穩(wěn)定性

　　改善硬質(zhì)涂層和基體的抗氧化能力，也可以有效提高涂層的熱震阻力。這往往取決于涂層組織的致密度�；�本上，致密度高的涂層可以阻礙氧擴(kuò)散通道的形成，而盡可能選用抗氧化性強(qiáng)的基體材料也是必要的。當(dāng)硬質(zhì)涂層被氧化且涂層內(nèi)部形成氧擴(kuò)散通道時，基體不易被氧化則能夠形成層間氧化物。氧化膜生長所引起的氧化應(yīng)力受到抑制，從而改善硬質(zhì)涂層的抗熱震性。

　　在涂層中加入某些元素可以提高涂層抗氧化性，如在TiN 涂層中加入Al 元素形成(Ti，Al)N 涂層。與TiN 膜層相比，(Ti,Al)N 膜層高溫氧化阻力明顯提高，適當(dāng)Ti/Al 比率的(Ti,Al)N 膜層可以將TiN 膜層的抗氧化溫度由550℃提高到925℃， 其原因之一是其自身形成了抗氧化的Al2O3 薄層，該薄層能夠有效抑制膜層被進(jìn)一步氧化。

　　3.3、改良硬質(zhì)涂層的設(shè)計

　　復(fù)合硬質(zhì)涂層的設(shè)計能夠提高涂層的“致密性”，阻礙氧擴(kuò)散通道的形成，如圖1 所示。對于復(fù)合涂層中的每一層而言，致密性并沒改善，但是涂層的疊加讓各層中所包含的微孔和微裂紋不連在同一軸線方向上，從而抑制氧擴(kuò)散通道的形成，進(jìn)而提高硬質(zhì)涂層的抗熱震性。

圖1 抑制氧擴(kuò)散復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)示意圖

　　而梯度涂層能夠形成基體與涂層、涂層之間的逐漸成分過渡，從而提高基體與涂層及各層之間的結(jié)合力。采用某些或某個組元的成分沿膜層厚度方向連續(xù)變化，以緩解結(jié)合部分性能的不匹配。如TiN 梯度涂層，其N 的含量由基體界面向涂層表面依次遞增。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.lalazzu.cn/)認(rèn)為如此一來，與基體接觸的硬質(zhì)涂層一側(cè)擁有高的金屬含量，以保證涂層與基體間的高結(jié)合力；而在涂層表面N 的含量達(dá)到預(yù)定的要求以保證硬質(zhì)涂層的硬度。

4、結(jié)束語

　　綜上所述，從硬質(zhì)涂層熱震損傷現(xiàn)象分析，彈性損傷和能量損傷為主導(dǎo)并可能伴有氧化損傷。改善硬質(zhì)涂層抗熱震性的根本途徑在于，提高涂層的韌性和抗氧化性、減少涂層和基體的不匹配因素、提高基體的抗氧化性和韌性等三個方面。此外，為實際應(yīng)用考慮，有必要將熱震過程中硬質(zhì)涂層硬度變化也作為表征硬質(zhì)涂層抗熱震損傷的一個補(bǔ)充依據(jù)。