涂层/薄膜材料应用背景及失效分析

在表面工程技术与材料科学中［1－5］，广泛地采用各种各样的涂层（coating）技术以达到防护基体（substrate）材料的目的。如航空航天设备中各种耐热耐高温的陶瓷涂层、集成电路中发挥绝缘等作用的涂层、枪炮管内抗烧蚀的电镀铬层和日常生活中各种起装饰作用的涂层，等等。对于工程实际中的多数涂层材料，从很大程度上说，涂层材料的寿命可以决定整个零部件或设备的寿命。在服役的过程中，由于涂层材料与基体材料在力学、热学等性能方面上存在着差异，因此在机械、热等各种载荷的作用下会表现出两种材料在应力、应变上的失配，最终会导致涂层材料的失效。工程实际中，涂层材料典型的失效模式为：涂层在基体上的剥落（spallation）。如图1.1（a）、（b）所示，为实际工况下，枪炮管内抗烧蚀的电镀铬层的失效模式。

图1.1　实际工况下枪炮管内电镀铬层的失效模式

这种失效的过程可以这样来描述：在机械、热等载荷作用下，先是脆性铬层本身的开裂（裂纹扩展的方向通常近似地垂直于界面），由于涂层较薄，裂纹很快就会贯穿到界面，然后是铬层与韧性钢基体的界面开裂或者裂纹进入钢基体往基体内扩展，或者两者同时扩展。当界面裂纹扩展到一定程度，就会导致铬层从基体上的剥落；当裂纹进入钢基体往基体内扩展时，由于枪炮管内产生的腐蚀气体会使得在界面附近或界面层内形成一“口袋形”裂口（“倒三角形”裂口），如图1.1（a）所示。这一“口袋形”裂口相当于把钢基体挖掉，也会导致铬层从基体上的剥落。从工程实际情况来看，导致枪炮管内铬层剥落最主要的原因有二：一是脆性铬层的本身开裂，二是铬层与钢基体的（次）界面开裂或者是在铬层与钢基体的界面附近形成的“口袋形”裂口。由于脆性的铬层与韧性的钢基体在力学、热学性能上存在着较大的差异，铬层的开裂会随着子弹的连续发射而迅速地增加，随着铬层的不断开裂和裂纹张开位移（CTOD）的不断增大，枪炮管内的腐蚀气体会顺着裂纹方向迅速地侵蚀钢基体，钢基体的腐蚀会失去对涂层的支撑作用，同时铬层与钢基体热物理性能和化学性能的差异，也会导致铬层与基体的界面开裂，随着界面裂纹的扩展，最终会导致铬层从基体上的剥落。从某种意义上说，涂层从基体上的剥落意味着零部件、器件或装备的失效。(www.xing528.com)

不仅是枪炮管内的电镀铬层，其他种类的涂层材料也有类似的失效模式。撇开导致涂层材料失效的外界因素，如载荷条件和环境因素等，影响该种复合体系服役寿命的内因至少包含涂层性能［如韧性（toughness）和断裂韧性（fracture toughness）］和涂层与基体间的界面结合性能（interfacial adhesion property）。

对于脆性涂层，其韧性和断裂韧性指标反映了其抵抗裂纹扩展的能力。涂层与基体的界面结合性能反映了复合体系的界面抵抗破坏的能力，可以说，界面结合的良好与否从很大程度上决定着这种材料的服役寿命。在外界载荷的作用下，界面结合的性能越好，就意味着界面抵抗裂纹扩展或涂层剥落的能力越强，从而延迟涂层从基体上剥落，最终延长工件的服役寿命。基体作为涂层的载体，其性能也同样很重要，如果基体的力学性能太差，一旦涂层中的裂纹到达界面后会很容易地向基体内扩展，某些工况下，如腐蚀环境，会很容易地导致前面所说的“口袋形”裂口，这一“口袋形”裂口会加快界面裂纹的扩展或者使基体失去对涂层的支撑作用，最终也会导致涂层从基体上的剥落。因此，对于涂层的剥落失效问题，本书提出了一个新的框架结构：涂层的剥落问题不能仅仅局限于考虑涂层与基体间的界面结合性能，而是要将“涂层／界面／基体”作为一个复合体系（结构），研究它的经典的力学强度和现代的断裂力学强度。