微米压痕测量TiAlN薄膜断裂韧性的数字孪生方法

作者：蒋智韬; 高剑英; 雷明凯^*

来源：中国表面工程, 2022, 35(05): 172-183.

• TiAlN薄膜
• 断裂韧性
• 深振荡磁控溅射
• 数字孪生
• 微米压痕

针对高性能表面层制造的薄膜断裂韧性检测,采用扩展有限元法(XFEM)模拟TiAlN薄膜微米压痕行为,基于数字孪生方法优化薄膜最大起始断裂应力(σmax)和相应的裂纹分离距离(δc)参数,根据Griffith-Irwin关系测定薄膜断裂韧性。深振荡磁控溅射(DOMS)在AISI 304奥氏体不锈钢基体上沉积具有立方结构的TiAlN薄膜,随着峰值功率由58.7 kW增至129.9kW,薄膜的择优取向由(111)转变为(200)。维氏微米压痕试验在载荷500 mN下压制,聚焦离子束(FIB)结合扫描电子显微镜(SEM)观察薄膜平面和横截面开裂行为,通过3D XFEM建模表征薄膜损伤过程,将模拟的薄膜裂纹形态、数量、分布及总长度与试验值进行交互反馈和融合分析,孪生匹配出薄膜平面开裂的σmax和δc参数,计算出AISI 304奥氏体不锈钢上沉积TiAlN薄膜的断裂韧性。随着DOMS峰值功率提高,TiAlN薄膜断裂韧性先增加后减小。峰值功率为90.2 kW,伴随最高纳米硬度28.3 GPa,断裂韧性最大值为1.88 MPa·m1/2,DOMS沉积TiAlN薄膜具有强韧性复合性能。XFEM模拟微米压痕的数字孪生方法,不仅发展了薄膜断裂韧性的测量技术,还为高性能表面层制造反问题提供了一种求解方法。

• 单位
  大连理工大学