激光表面织构化调控TiN涂层裂纹扩展路径与失效模式的机理研究

本综述系统阐述了激光表面织构化（LST）技术在TiN硬质涂层失效控制中的创新应用。通过原位拉伸实验与有限元模拟，揭示了织构沟槽作为应力集中源诱发可控裂纹萌生，同时作为物理屏障限制裂纹扩展的双重机制（“可控萌生-受限扩展”），为涂层韧性设计和耐久性提升提供了新范式。

　　

Surface and cross-sectional morphologies

图4展示了激光织构化与非织构化试样的表面和截面形貌。在拉伸加载前，非织构化样品表面光滑无可见裂纹（图4a）。截面成像（图4b）证实TiN涂层厚度均匀（约2.8?μm），无微裂纹或界面分层，表明涂层完整性优异。相比之下，激光织构化样品呈现出清晰、均匀分布的沟槽结构，其宽度和深度通过激光参数精确调控。沟槽底部可见微米级熔凝层，界面处涂层与基体形成机械互锁（mechanical interlocking）结构。

Discussion

通过原位拉伸实验与有限元模拟，本研究建立了激光诱导沟槽织构与脆性TiN涂层应力重分布及裂纹行为调控的力学框架。实验观察表明，相较于非织构表面，激光织构引入的几何不连续性导致裂纹更早萌生（图5、图6）。这些裂纹优先在沟槽区域内成核，并沿沟槽方向扩展，而非随机穿透涂层。有限元分析表明，沟槽边缘存在显著的应力集中（stress concentration），最大主应力峰值位于沟槽底部，从而定向诱发裂纹萌生。同时，相邻沟槽之间的平坦区域形成“应力屏蔽区”，有效阻隔斜向裂纹的汇合（coalescence）。沟槽宽度增加可促进表面应力分散并延迟裂纹萌生，而过度深度或间距则会加剧局部应力并削弱沟槽间屏蔽效应。这种“定向萌生-受限扩展”（controlled initiation–confined propagation）机制重新定义了LST的传统角色——从单纯的粘附增强技术转变为调控涂层失效模式的微结构设计策略。

Conclusions

本研究通过结合原位拉伸测试与有限元分析，探究了周期性激光织构化不锈钢基体对TiN涂层失效行为的影响，主要结论如下：

(1) 激光诱导表面织构实现了裂纹萌生位点的空间调控。与非织构样品中横向裂纹的随机出现相比，织构化样品中的裂纹优先在周期性沟槽内萌生；

(2) 织构沟槽具有双重功能：作为应力集中源触发可控裂纹萌生，同时作为物理屏障限制裂纹横向扩展；

(3) 沟槽几何参数（宽度、深度、间距）显著影响应力分布与裂纹行为，优化参数可提升涂层耐久性；

(4) 本研究将LST技术从传统的粘附增强方法提升为一种调控涂层失效模式的主动设计策略。