EXPLORING THE IMPACT OF RESIDUAL COMPRESSIVE STRESS ON TENSILE PROPERTIES OF MULTILAYER COATINGS BASED ON INVERSE ANALYSIS METHOD

CHEN Jinhu; JIA Yunfei; MA Tianyu; ZHANG Yong; ZHANG Yu; YANG Jun

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2025.04.010

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EXPLORING THE IMPACT OF RESIDUAL COMPRESSIVE STRESS ON TENSILE PROPERTIES OF MULTILAYER COATINGS BASED ON INVERSE ANALYSIS METHOD

·Fatigue·Damage·Fracture·Failure Analysis· | 更新时间：2025-04-25

- EXPLORING THE IMPACT OF RESIDUAL COMPRESSIVE STRESS ON TENSILE PROPERTIES OF MULTILAYER COATINGS BASED ON INVERSE ANALYSIS METHOD
- Journal of Mechanical Strength Vol. 47, Issue 4, Pages: 79-86(2025)
- 作者机构：
  
  1.华东理工大学机械与动力工程学院，上海 200237
  2.东北大学材料科学与工程学院，沈阳 110819
- 作者简介：
  
  JIA Yunfei, E-mail: yfjia@ecust.edu.cn
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(52222505;52321002);Shanghai Natural Science Foundation(23ZR1415500)
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.04.010
  CLC： TG174.444;V261.933
- Received：24 April 2024，
  
  Revised：15 May 2024，
  
  Published：15 April 2025
- 稿件说明：
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陈金湖，贾云飞，马天宇，等. 基于反演分析法探究残余压应力对叠层涂层拉伸性能的影响［J］. 机械强度，2025，47（4）：79-86.

CHEN Jinhu，JIA Yunfei，MA Tianyu，et al. Exploring the impact of residual compressive stress on tensile properties of multilayer coatings based on inverse analysis method［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（4）：79-86.
陈金湖，贾云飞，马天宇，等. 基于反演分析法探究残余压应力对叠层涂层拉伸性能的影响［J］. 机械强度，2025，47（4）：79-86. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.04.010.

CHEN Jinhu，JIA Yunfei，MA Tianyu，et al. Exploring the impact of residual compressive stress on tensile properties of multilayer coatings based on inverse analysis method［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（4）：79-86. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.04.010.

摘要

涂层广泛应用于各类重要零部件表面以提升其使用寿命，研究涂层的力学性能是评价该项技术优劣程度的一个关键因素。采用真空离子镀膜技术在铝基复合材料表面制备TiAlN/Ti和TiN/Ti叠层涂层，并通过扫描电镜（Scanning Electron Microscopy

SEM）、X射线衍射仪（X-Ray Diffraction

XRD）和纳米压痕测试仪对涂层的微观结构、物相组成和力学性能进行表征和分析。基于量纲分析理论推导出材料力学性能参数与纳米压痕加/卸载参量之间的量纲一函数关系，结合有限元模拟的方法，确定其具体表达式。通过建立叠层涂层的纳米压痕仿真模型，分析了残余压应力对叠层涂层拉伸性能的影响。结果表明，残余压应力可以提高叠层涂层的屈服强度。其中，TiN/Ti叠层涂层的残余压应力为-564 MPa，提高了31.25%的屈服强度；TiAlN/Ti叠层涂层的残余压应力为-871 MPa，提高了50%的屈服强度。此方法为定量分析涂层力学性能的影响因素提供了重要的理论和试验基础。

Abstract

Coatings have extensively been used to the surfaces of critical components to enhance their service life

and the research on mechanical properties of coatings is essential for advancing this technology. TiAlN/Ti and TiN/Ti multilayer coatings were prepared on aluminum matrix composite surfaces by using the vacuum ion beam sputtering technique. The microstructure

phase composition， and mechanical properties of the coatings were characterized and analyzed using scanning electron microscopy (SEM)

X-ray diffraction (XRD)

and nanoindentor. The dimensionless function correlation between mechanical properties of material with multilayer coatings and the loading/unloading parameters of nanoindentation was derived based on dimension analysis theory

and its explicit expression was determined in conjunction with the finite element simulation method. By establishing a nanoindentation simulation model for the multilayer coating

the impact of residual compressive stress on the tensile properties of the multilayer coating was analyzed. The results indicate that residual compressive stress can enhance the yield strength of the multilayer coatings. The residual compressive stress of TiN/Ti multilayer coating is -564 MPa

increasing the yield strength by 31.25%. Similarly

the residual compressive stress of TiAlN/Ti multilayer coating is -871 MPa

resulting in a 50% increase in yield strength. An important theoretical and test basis is proposed for quantitative analysis of the factors influencing the mechanical properties of coatings.

关键词

Keywords

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BONU V ， JEEVITHA M ， PRAVEEN KUMAR V ， et al . Solid particle erosion and corrosion resistance performance of nanolayered multilayered Ti/TiN and TiAl/TiAlN coatings deposite d on Ti 6 Al 4 V substrates ［J］. Surface and Coatings Technology ， 2020 ， 387 ： 125531 .

YANG Z T ， CHEN J ， HE G Y ， et al . Mechanical properties and sand erosion damage mechanism of TiN/Ti multilayer coatings after thermal cycling treatment ［J］. Journal of Materials Engineering and Performance ， 2023 ， 32 （ 19 ）： 8775 - 8785 .

姜金德，任云鹏，卢崇劭，等 . 基于涂层技术的薄壁止裂试验研究［J］. 机械强度， 2023 ， 45 （ 5 ）： 1103 - 1107 .

JIANG Jinde ， REN Yunpeng ， LU Chongshao ， et al . Experimental study on thin wall crack arrest based on coating technology ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2023 ， 45 （ 5 ）： 1103 - 1107 . （In Chinese）

RAHIMOV E ， WATSON M ， HADJISOTERIOU A ， et al . Investigation of wear mechanisms in AlSi-polyester abradable-Ti（ 6 Al 4 V） blade contacts using stroboscopic imaging ［J］. Wear ， 2022 ， 494 ： 204207 .

姬浩，乔生儒，弓满锋，等 . PVD TiN涂层力学性能的测试方法［J］. 机械强度， 2009 ， 31 （ 2 ）： 302 - 305 .

JI Hao ， QIAO Shengru ， GONG Manfeng ， et al . Measurement for the mechanical properties of PVD TiN coating ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2009 ， 31 （ 2 ）： 302 - 305 . （In Chinese）

DENG J X ， WU F ， LIAN Y S ， et al . Erosion wear of CrN，TiN，CrAlN，and TiAlN PVD nitride coatings ［J］. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials ， 2012 ， 35 ： 10 - 16 .

KUZNETSOVA T ， LAPITSKAYA V ， KHABARAVA A ， et al . The influence of nitrogen on the morphology of ZrN coatings deposited by magnetron sputtering ［J］. Applied Surface Science ， 2020 ， 522 ： 146508 .

LI H ， ZHANG C ， LIU C ， et al . Improvement in corrosion resistance of CrN coatings ［J］. Surface and Coatings Technology ， 2019 ， 365 ： 158 - 163 .

SHUAI J T ， ZUO X ， WANG Z Y ， et al . Comparative study on crack resistance of TiAlN monolithic and Ti/TiAlN multilayer coatings ［J］. Ceramics International ， 2020 ， 46 （ 5 ）： 6672 - 6681 .

COLOMBO D A ， MANDRI A D ， ECHEVERRÍA M D ， et al . Mechanical and tribological behavior of Ti/TiN and TiAl/TiAlN coated austempered ductile iron ［J］. Thin Solid Films ， 2018 ， 647 ： 19 - 25 .

曹鑫，王冠，何卫锋，等 . TC4钛合金与多层TiN/Ti涂层的砂尘冲蚀损伤试验［J］. 航空动力学报， 2016 ， 31 （ 9 ）： 2218 - 2225 .

CAO Xin ， WANG Guan ， HE Weifeng ， et al . Sand-dust erosion damage test on TC4 titanium alloy and multilayer TiN/Ti coating ［J］. Journal of Aerospace Power ， 2016 ， 31 （ 9 ）： 2218 - 2225 . （In Chinese）

VENKATESWARAN P ， XU Z H ， LI X D ， et al . Determination of mechanical properties of Al-Mg alloys dissimilar friction stir welded interface by indentation methods ［J］. Journal of Materials Science ， 2009 ， 44 （ 15 ）： 4140 - 4147 .

蒋锐，胡小方，许峰，等 . 纳米压痕数据分析的混合方法研究［J］. 机械强度， 2009 ， 31 （ 5 ）： 857 - 860 .

JIANG Rui ， HU Xiaofang ， XU Feng ， et al . Investigation of hybrid method for analyzing nanoindentation data ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2009 ， 31 （ 5 ）： 857 - 860 . （In Chinese）

POITRIMOLT M ， CHEIKH M ， BERNHART G ， et al . Characterisation of the transverse mechanical properties of carbon/carbon composites by spherical indentation ［J］. Carbon ， 2014 ， 66 ： 234 - 245 .

OLIVER W C ， PHARR G M . An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments ［J］. Journal of Materials Research ， 1992 ， 7 （ 6 ）： 1564 - 1583 .

OLIVER W C ， PHARR G M . Measurement of hardness and elastic modulus by instrumented indentation：advances in understanding and refinements to methodology ［J］. Journal of Materials Research ， 2004 ， 19 （ 1 ）： 3 - 20 .

JIANG Z T ， LI Y G ， LEI M K . An inverse problem in estimating fracture toughness of TiAlN thin films by finite element method based on nanoindentation morphology ［J］. Vacuum ， 2021 ， 192 ： 110458 .

MATA M ， ALCALÁ J . Mechanical property evaluation through sharp indentations in elastoplastic and fully plastic contact regimes ［J］. Journal of Materials Research ， 2003 ， 18 （ 7 ）： 1705 - 1709 .

BOUZAKIS K D ， MICHAILIDIS N . An accurate and fast approach for determining materials stress-strain curves by nanoindentation and its FEM-based simulation ［J］. Materials Characterization ， 2006 ， 56 （ 2 ）： 147 - 157 .

CHENG Y T ， CHENG C M . Relationships between hardness，elastic modulus，and the work of indentation ［J］. Applied Physics Letters ， 1998 ， 73 （ 5 ）： 614 - 616 .

DAO M ， CHOLLACOOP N ， VAN VLIET K J ， et al . Computational modeling of the forward and reverse problems in instrumented sharp indentation ［J］. Acta Materialia ， 2001 ， 49 （ 19 ）： 3899 - 3918 .

BEN AMMAR Y ， AOUADI K ， NOUVEAU C ， et al . Identification of the elastic-plastic properties of CrN coating on elastic-plastic substrate by nanoindentation using finite element method-reverse algorithm ［J］. Thin Solid Films ， 2022 ， 756 ： 139356 .

马增胜 . 纳米压痕法表征金属薄膜材料的力学性能［D］. 湘潭：湘潭大学， 2011 ： 31 - 61 .

MA Zengsheng . Characterization of mechanical properties of metal film materials by nano-indentation method ［D］. Xiangtan ： Xiangtan University ， 2011 ： 31 - 61 . （In Chinese）

NOII N ， AGHAYAN I . Characterization of elastic-plastic coated material properties by indentation techniques using optimisation algorithms and finite element analysis ［J］. International Journal of Mechanical Sciences ， 2019 ， 152 ： 465 - 480 .

LONG X ， DING X ， LI J ， et al . Indentation reverse algorithm of mechanical response for elastoplastic coatings based on LSTM deep learning ［J］. Materials ， 2023 ， 16 （ 7 ）： 10.3390/ma16072617 .

罗瑞强，章桥新 . 热喷熔滴在表面沉积凝固后的残余应力分析［J］. 机械强度， 2009 ， 31 （ 5 ）： 847 - 850 .

LUO Ruiqiang ， ZHANG Qiaoxin . Analysis of thermal spray particle’s residual stress after deposit and curdle on the substrate’s surface ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2009 ， 31 （ 5 ）： 847 - 850 . （In Chinese）

LING L Z ， LONG S G ， MA Z S ， et al . Numerical study on the effects of equi-biaxial residual stress on mechanical properties of nickel film by means of nanoindentation ［J］. Journal of Materials Science & Technology ， 2010 ， 26 （ 11 ）： 1001 - 1005 .

MADY C E K ， RODRIGUEZ S A ， GÓMEZ A G ， et al . Effects of mechanical properties，residual stress and indenter tip geometry on instrumented indentation data in thin films ［J］. Surface and Coatings Technology ， 2010 ， 205 （ 5 ）： 1393 - 1397 .

ZHU L N ， XU B S ， WANG H D ， et al . Measurement of residual stresses using nanoindentation method ［J］. Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences ， 2015 ， 40 （ 2 ）： 77 - 89 .

XIAO Y Y ， WU L L ， LUO J ， et al . Mechanical response of thin hard coatings under indentation considering rough surface and residual stress ［J］. Diamond and Related Materials ， 2020 ， 108 ： 107991 .

FLINN P A ， GARDNER D S ， NIX W D . Measurement and interpretation of stress in aluminum-based metallization as a function of thermal history ［J］. IEEE Transactions on Electron Devices ， 1987 ， 34 （ 3 ）： 689 - 699 .

SAWA T ， AKIYAMA Y ， SHIMAMOTO A ， et al . Nanoindentation of a 10 nm thick thin film ［J］. Journal of Materials Research ， 1999 ， 14 （ 6 ）： 2228 - 2232 .

BRIDGMAN P W . Dimensional analysis ［M］. New Haven ： Yale University Press ， 1922 ： 54 - 86 .

ONUR Ç . Improved structural，mechanical，corrosion and tribocorrosion properties of Ti 45 Nb alloys by TiN，TiAlN monolayers，and TiAlN/TiN multilayer ceramic films ［J］. Ceramics International ， 2021 ， 47 （ 3 ）： 4149 - 4156 .

HERRERA-JIMENEZ E J ， VANDERESSE N ， BOUSSER E ， et al . Fracture mechanism of TiN coatings on Ti-6Al-4V substrates：role of interfaces and of the residual stress depth profile ［J］. Surface and Coatings Technology ， 2021 ， 426 ： 127747 .

YUAN Z W ， HAN Y T ， ZANG S L ， et al . Analysis of the mechanical properties of TiN/Ti multilayer coatings using indentation under a broad load range ［J］. Ceramics International ， 2021 ， 47 （ 8 ）： 10796 - 10808 .

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