多尺度纳米压痕与高斯混合模型联用评估金属基复合材料力学性能：以感应熔覆原位TiC/Ti涂层为例

本研究针对金属基复合材料(MMCs)中多尺度增强相空间分布不均和尺寸效应导致的表面力学性能表征难题，开发了结合高斯混合模型(GMM)的多尺度纳米压痕测试策略，成功实现对感应熔覆原位TiC/Ti多相复合涂层的性能评估。研究发现TiC相呈现"浅层硬化-深层软化"特性，β-Ti基体相性能优于α-Ti，并通过改进混合法则(ROM)建立了显微硬度与纳米压痕硬度的关联模型，为MMCs性能优化提供了重要理论依据。

　　

在先进工程技术领域，金属基复合材料(Metal Matrix Composites, MMCs)因其优异的比强度、比模量和耐磨性等特点，已成为航空航天、汽车制造和精密机械等领域的关键结构材料。然而，MMCs中多相组分的微观结构异质性、复杂的界面结合现象以及空间非均匀的力学响应，给其表面力学性能的准确评估带来了巨大挑战。传统的显微硬度测试方法由于压痕尺寸效应的限制，难以实现微观尺度上各相特性的精细分析，而纳米压痕技术虽然能够提供微纳米级的空间分辨率，但在面对多相复合体系时，测试数据的解析和归因仍然存在困难。

为突破这些技术瓶颈，广东工业大学机电工程学院的研究团队在《Materials》杂志上发表了一项创新性研究，他们以感应熔覆原位制备的TiC/Ti复合涂层为研究对象，开发了一种结合多尺度纳米压痕测试和高斯混合模型(Gaussian Mixture Model, GMM)的分析方法，实现了对MMCs中各相力学性能的精准评估。

研究人员采用了几项关键技术方法：首先通过感应熔覆技术在Ti6Al4V钛合金基体上制备了原位TiC/Ti复合涂层；利用X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对涂层的相组成和微观结构进行表征；采用多尺度纳米压痕策略，包括单点纳米压痕和网格纳米压痕测试，分别用于精确测定各相区域的力学性能和评估涂层的整体力学均匀性；最后运用GMM对网格纳米压痕数据进行统计分析和相分离。

3.1. 微观结构、相组成和显微硬度

研究表明，TiC/Ti复合涂层呈现典型的多相复合结构，由α-Ti基体相、少量β-Ti基体相和弥散分布的TiC增强相组成。TiC增强相呈现亚微米级(0.5-2.9μm)的椭圆形或圆形形态，通过Orowan强化机制实现对位错运动的钉扎。涂层显微硬度稳定在～600 HV_0.2左右，但在接近基体界面区域，TiC的强化效应减弱，硬度显著下降至约350 HV_0.2。

3.2. 单点纳米压痕行为

3.2.1. 以TiC和WTR为中心

研究发现TiC增强相表现出"浅层硬化-深层软化"的力学行为，而在TiC区域内(Within the TiC Region, WTR)则呈现"浅层软化-中间协同-深层硬化"的响应特征。当压痕深度增加至800nm时，以TiC为中心的压痕显示硬度和载荷显著下降，表明压头已穿透TiC颗粒到达基体相；而以WTR为中心的压痕则由于TiC-基体的协同效应，硬度和弹性模量随深度增加而提高。

3.2.2. 以基体相为中心

β-Ti相在整个压痕范围内始终表现出比α-Ti相更高的载荷承载能力和弹性恢复能力。α-Ti相显示出深度较大、边缘粗糙且有微裂纹的特征，而β-Ti相的压痕形态较浅且光滑，裂纹萌生受到抑制，微观变形协调性显著优于α-Ti相。

3.2.3. 纳米力学性能

定量表征显示，TiC相的纳米压痕硬度和弹性模量分别为21.3GPa和275GPa，转换为维氏硬度为2012.85HV；WTR的硬度和模量为7.8GPa和190GPa；β-Ti相为6.1GPa和155GPa；α-Ti相为4.1GPa和130GPa。所有组成相的硬度和模量均显著高于基体材料，充分证明了多相协同强化效应在增强基体力学性能中的关键作用。

3.3. 网格纳米压痕行为

3.3.1. 形貌和纳米力学性能

网格纳米压痕测试表明，压痕主要分布在基体相中，部分在WTR中，少量在TiC颗粒上。高硬度和弹性模量值的分布与TiC颗粒的分布一致，TiC压痕形状较小并产生裂纹，而基体相压痕无裂纹且表现出明显的塑性变形能力。

3.3.2. 高斯拟合

通过GMM对网格纳米压痕数据进行频率统计和高斯拟合，发现硬度和弹性模量均遵循三峰高斯分布，对应TiC、WTR和基体相。建立的数学模型具有高度的统计显著性(R²>0.95)，验证了GMM在多相涂层微观力学性能分析中的可靠性。

4.1. 显微硬度与单点纳米压痕的关联模型

通过引入形状因子(β)和界面修正因子(γ)，对等应变、等应力和幂律三种混合法则(Rule of Mixtures, ROM)模型进行修正，建立了显微硬度与纳米压痕硬度的定量关系。研究发现，当TiC体积分数约为10%时，适用修正等应变模型；约23%时，适用修正等应力模型；约42%时，修正幂律模型更能准确描述硬度增长趋势。

4.2. 单点与网格纳米压痕的联系

单点纳米压痕为网格纳米压痕的统计解耦提供了基准验证，而网格压痕通过GMM模型实现了各相力学贡献的空间分布解耦。GMM模型的最低峰对应基体相性能，中间峰反映了涂层的整体性能，最高峰则因尺寸效应和采样偏差的影响，力学性能低于TiC相的单点纳米压痕结果。

该研究通过结合多尺度混合压痕测试和GMM分析方法，成功揭示了MMCs涂层中不同相的纳米力学行为特征及其多相协同强化机制。研究发现TiC/Ti复合涂层具有典型的多相复合结构，TiC增强相呈现独特的"浅层硬化-深层软化"特性，而WTR相则表现出"浅层软化-中间协同-深层硬化"的力学响应。研究建立的修正ROM关联模型揭示了涂层在TiC体积分数增加过程中从基体主导到增强相主导的微观结构演变规律。基于GMM方法的压痕硬度和弹性模量建模实现了各相力学性能的解耦分析，为MMCs的性能调控和优化提供了方法论参考。这项研究不仅为解决MMCs力学性能评估难题提供了创新解决方案，也为多相材料的设计和性能优化提供了重要理论依据和实践指导。未来研究可通过结合有限元模拟和EBSD相成像等多种技术，进一步深化对涂层力学性能和微观结构非均匀性的机制分析。