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

陈金湖; 贾云飞; 马天宇; 张勇; 张钰; 杨俊

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2025.04.010

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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

·疲劳·损伤·断裂·失效分析· | 更新时间：2025-04-25

- 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
- EXPLORING THE IMPACT OF RESIDUAL COMPRESSIVE STRESS ON TENSILE PROPERTIES OF MULTILAYER COATINGS BASED ON INVERSE ANALYSIS METHOD
- 机械强度 2025年47卷第4期页码：79-86
- 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：
  
  陈金湖，男，1997年生，河南淮滨人，硕士研究生；主要研究方向为航空发动机叶片涂层强化；E-mail：691280500@qq.com。
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金项目(52222505;52321002);上海市自然科学基金项目(23ZR1415500)
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.04.010
  中图分类号： TG174.444;V261.933
- 收稿日期：2024-04-24，
  
  修回日期：2024-05-15，
  
  纸质出版日期：2025-04-15
- 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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