基于能量法的AlCrNbSiTi高熵合金涂层弹塑性本构参数反演：消除非理想压头尖端效应的新方法

本研究针对高熵合金涂层本构参数获取中传统Oliver-Pharr方法依赖压头接触面积校准的局限性，提出基于能量法的改进方法。通过磁控溅射制备AlCrNbSiTi高熵合金涂层，结合纳米压痕实验与有限元反演分析，发现能量法计算的弹性模量误差（5.30%）显著低于传统方法（16.19%），验证了该方法在消除非理想压头尖端效应方面的优越性，为高熵涂层精确力学建模提供新思路。

　　

高熵合金涂层因其独特的"四大效应"（高熵效应、晶格畸变效应、缓慢扩散效应和鸡尾酒效应）成为材料科学前沿，其中AlCrNbSiTi体系更以高硬度、耐磨损等特性备受关注。然而，这类涂层的力学性能表征面临两大难题：一是传统拉伸测试无法适用于微纳米尺度涂层；二是主流纳米压痕Oliver-Pharr方法依赖压头面积函数校准，但实际Berkovich压头存在尖端钝化现象，加上材料本身的sink-in（下陷）或pile-up（堆积）效应，可导致接触面积计算误差高达60%。更棘手的是，目前关于非等摩尔比多相共存高熵涂层的本构模型研究几乎空白，严重制约其性能调控与工业应用。

针对这些挑战，国内某高校研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表创新成果。他们采用Nano100电弧-磁控溅射系统在WC基体上沉积AlCrNbSiTi涂层，通过纳米压痕实验获取载荷-位移曲线后，首次将能量法与维度分析、有限元反演相结合，建立了消除压头尖端效应影响的本构参数反演新范式。

关键技术包括：磁控溅射涂层制备、纳米压痕测试、基于能量法的弹性模量计算（避免接触面积计算）、维度分析反演本构参数、ABAQUS有限元仿真验证。研究团队特别设计了对比实验：分别用传统Oliver-Pharr方法和新型能量法处理相同压痕数据，再通过π函数构建的维度分析模型反演本构参数。

【Coating Preparation】
采用300°C基底温度、0.3Pa工作气压的磁控溅射工艺，制备出结构致密的AlCrNbSiTi涂层，XRD显示其具有多相共存特征，为后续力学性能研究提供理想样本。

【The Oliver-Pharr Method】
传统方法计算得到弹性模量误差达16.19%，硬度误差更高达48.31%，主要源于sink-in现象导致接触面积低估。理论分析揭示，面积函数校准偏差会通过接触刚度计算传导至弹性模量结果。

【Energy Method】
创新提出的能量法通过机械功与应变能关系直接计算弹性模量，规避面积函数引入的系统误差。数据显示其弹性模量误差降至5.30%，硬度误差减少至23.45%，显著提升计算精度。

【Dimensional Analysis】
建立包含硬化指数n、屈服强度σ_y
、弹性模量E等参数的π维度方程，结合有限元反演获得真实应力-应变曲线。能量法反演结果与实验曲线吻合度优于传统方法，验证了本构参数的可靠性。

【Conclusion】
该研究突破性地证明：能量法通过消除接触面积计算环节，可有效克服非理想压头尖端效应带来的系统误差；建立的"实验-维度分析-有限元"反演框架，为多相高熵涂层本构建模提供普适性方案。这不仅解决了AlCrNbSiTi涂层力学参数精确测量的技术难题，更为其他脆性涂层、薄膜材料的性能表征开辟新途径。研究揭示的sink-in现象对硬度测试的影响机制，对纳米压痕标准化实践具有重要指导价值。未来可通过引入机器学习进一步优化反演效率，推动高熵涂层在航空航天等极端环境下的应用开发。