抗熱震性是硬質涂層的重要性能之一，直接影響到硬質涂層的使用效果和使用壽命。簡述了硬質涂層熱震損傷的熱彈性理論和能量理論以及氧化損傷機理，討論了硬質涂層抗熱震性的測試及表征方法。對硬質涂層熱震損傷的主要影響因素進行了詳細分析和評價，提出了改善硬質涂層抗熱震性能的方法和途徑。

　　涂層對抗溫度影響的性能稱為涂層的熱震性，涂層抗熱震性的強弱直接影響工件使用效果和使用壽命。熱震循環試驗是現有的檢驗涂層抗熱震性的主要手段和表征依據，熱應力是引起涂層熱損傷的主要原因。隨著涂層材料越來越多地應用在生產中，對涂層抗熱震性的研究逐漸受到重視，主要體現在對熱障涂層等功能性涂層的熱震研究上；而對于硬質涂層的熱震研究還很不充分。

　　熱震試驗是由普通結構材料抗熱震性研究方法演變而來。真空技術網(http://smsksx.com/)認為對于結構材料，熱應力可引起材料產生裂紋，當溫度與熱應力強烈周期性變化，會促進裂紋擴展而導致材料破壞。例如，研究發現，切削冷卻后的WC-Co 刀具的最大拉應力達20000 MPa，而最大壓應力可達18000MPa，這樣大的熱應力會造成熱裂紋的產生或擴展。

　　熱應變與熱應力周期性循環變化也會造成硬質涂層內裂紋的產生和擴展，從而影響硬質涂層工件的使用壽命。硬質涂層材料與普通結構材料在實際使用服役過程與環境以及材料本身等均有所不同，因此有必要對硬質涂層的熱震性做詳細的分析探討，并通過分析熱震損傷機制及表征方法，尋求提高硬質涂層抗熱震性的途徑和方法。

1、硬質涂層熱震損傷的相關理論

　　熱應力造成硬質涂層熱損傷相應的機理主要有兩種：熱彈性理論和能量理論，也稱之為熱震斷裂理論和熱震損傷理論。此外，熱震過程中不可避免地引起膜層氧化發生。

　　1.1、熱彈性理論

　　彈性理論認為涂層的固有強度在不能抵抗熱震溫差所引起的熱應力時，涂層內部會瞬時形成裂紋并開始擴展。因此，將涂層的固有強度與熱應力之間的關系作為涂層抗熱震破壞的依據。涂層與基體之間由于膨脹、收縮系數和靈敏度等不同，在溫度急劇變化時，涂層內部會產生較大的熱應力。循環急冷急熱過程中，膨脹和收縮受到約束，熱應力積攢。積攢的熱應力大于涂層材料的固有應力時，涂層內部瞬間萌生裂紋，隨著熱震的繼續進行，裂紋開始擴展。抗熱震損傷性能好的涂層應具備盡可能高的彈性模量。熱彈性理論只注重涂層內裂紋的成核而忽略了裂紋的擴展，裂紋彈性理論是在假定硬質涂層固有狀態不存在微裂紋及微孔的情況下解釋熱震損傷的機理，但實際涂層中總是或多或少地存在微裂紋和微孔。硬質涂層材料熱震的前期，熱應力小于涂層的固有強度，涂層中原有的裂紋不會發生擴展。

　　1.2、能量理論

　　Hasselman 等人以材料中固有狀態下存在微裂紋或微孔為理論基礎，針對單次加熱冷卻研究涂層的熱震性， 發現其機理主要是能量理論。Hasselman 等人定義了一個臨界溫差ΔTc，當溫度急變(ΔTc)引起的熱沖擊應力超過涂層的固有強度時，涂層內會瞬間產生裂紋。

　　硬質涂層熱震過程中，基體與涂層及層與層之間由于膨脹系數不同，基體和涂層及各層之間會產生軸向應力和徑向應力。其中軸向應力會對界面上原有的微裂紋和微孔造成循環的擴展和壓縮作用，使徑向的微孔邊緣及微裂紋尖端容易形成應力集中，導致裂紋的萌生和擴展，進而形成水平裂紋。隨著熱震進行，水平裂紋最終連在一起，導致涂層脫落。實際上，硬質涂層中總是或多或少存在微裂紋及微型孔洞，能量理論解釋了這些裂紋和微孔在熱震過程中如何造成硬質涂層熱震損傷。

　　1.3、氧化作用過程與機理

　　硬質涂層在熱震過程中，伴隨有涂層甚至基體的氧化。氧化作用往往使得涂層變得較為疏松，如TiN 在熱震過程中生成疏松的TiO2。TiO2的形成使涂層的硬度和耐高溫性得到一定的提高，但疏松的TiO2 會給氧侵入涂層或穿過涂層氧化基體提供通道。涂層中原有的軸向微孔和微裂紋在熱震過程中擴展后貫穿涂層或原本就貫穿涂層也會給氧提供入侵的；涂層在熱震過程中自身的氧化會降低氧腐蝕基體的阻力。微型通道使氧得以進一步侵入涂層內部和穿過涂層氧化基體。氧化反應機制會在涂層和基體間產生氧化應力，氧化應力會使涂層與涂層、涂層與基體間的結合力嚴重下降。

　　基體表面被氧化會在基體與涂層的界面上形成微小區域的氧化物膜層，隨著氧化物膜逐漸長大，相鄰的氧化膜層相連，在涂層與基體間形成氧化物隔層。氧化物隔層會導致涂層與基體的結合力嚴重下降甚至使涂層脫落。一般而言，大多數硬質涂層氧化應力對失效的作用比熱應力小。

　　2、硬質涂層抗熱震性測試和表征方法

　　對于硬質涂層抗熱震性的測試方法，主要由普通材料抗熱震性的測試方法演變而來；表征大多數都是以涂層內出現裂紋、開裂或剝落時的溫差或熱震循環次數為衡量依據。硬質涂層抗熱震性的測試方法主要有以下兩種：

　　a、將材料升至不同的溫度后，淬冷(風冷或水冷)，單次循環，得出涂層產生裂紋的最大溫差。這種試驗方法主要用于測試涂層單次循環所能承受的最大溫差和涂層能承受的最大熱應力；

　　b、將材料升致預定的溫度后，淬冷(風冷或水冷)，多次循環，得出涂層出現宏觀裂紋時的循環次數，同時也要觀察裂紋萌生及擴展的速度和方式。

　　第二種測試方法更貼近于涂層在實際應用時的熱震狀態，其數據更具使用價值。

　　硬質涂層的熱震破壞分為2 類：第一、熱沖擊作用下涂層瞬時開裂的熱震斷裂；第二、循環熱沖擊作用下涂層開裂、剝落的熱震損傷。相應地，表征方法分為：第一、單次循環測涂層開裂的臨界溫差ΔT；第二、多次恒溫差循環后涂層出現宏觀裂紋的循環次數。

　　盡管這些方法直接給出了硬質涂層的熱震效果，但從硬質涂層的實際應用考慮，還是有所欠缺的。比如熱震過程中硬質涂層的硬度會隨溫度的變化而發生較大的改變，這種變化往往使得涂層的硬度降低。因此，當涂層出現裂紋之前，涂層的硬度往往早已達不到實際所需要的硬度。硬質涂層在硬度不能滿足工作要求的情況下繼續使用很可能會對基體造成破壞。這種不可逆的破壞，降低了涂層的使用壽命。在硬質涂層抗熱震性測試試驗過程中可以在每次循環之后除了必備的檢查涂層中裂紋的狀態外，附加測試涂層的硬度，畫出硬度變化曲線。這樣一來，結合涂層硬度隨熱震循環次數的變化規律，硬質涂層的抗熱震性測試試驗將更具說服力。

3、硬質涂層抗熱震性改善方法與途徑

　　3.1、改善硬質涂層和基體的物理穩定性

　　硬質涂層抗熱震阻力的強弱，直接取決于涂層自身的相關屬性以及涂層與基體抗熱震性相關屬性的匹配是否合理。這可以從以下幾方面考慮：

　　a、根據抗熱震因子計算公式，R=pλ/Ea，涂層與基體的熱膨脹系數的匹配程度對涂層熱震穩定性影響很大。由于金屬、合金的熱膨脹系數較大，而硬質涂層的熱膨脹系數較小，降低涂層與基體的熱膨脹系數的差值或使涂層的熱膨脹系數略大于基體(熱震時會產生一定的壓應力)。降低涂層熱震過程中產生的熱應力，從而使其具有較高的熱震穩定性。

　　b、高韌性的硬質涂層和基體能提高對塑性變形功和斷裂功的吸收能力，阻礙裂紋的萌生及擴展。通過提高涂層和基體的韌性，進而提高硬質涂層裂紋萌生和裂紋擴展的門檻值，則可以有效改善硬質涂層的熱震阻力。

　　c、降低硬質涂層在熱震過程中所產生的熱應力也是一個改善硬質涂層熱震阻力的可行途徑。在實際涂層與基體的配合選擇上，盡量降低涂層與基體的膨脹系數之差，從而降低膨脹和收縮時因涂層與基體不一致所引起的的應力積累。

　　d、最后，適當增加涂層內的微孔數量可以一定程度上緩解和松弛應力，使其能承受的熱應力更大，從而提高硬質涂層的熱震性。然而，一旦微孔數量過多則會降低涂層和基體的氧化阻力，同樣會引起涂層失效。

　　3.2、改善硬質涂層和基體的化學穩定性

　　改善硬質涂層和基體的抗氧化能力，也可以有效提高涂層的熱震阻力。這往往取決于涂層組織的致密度。基本上，致密度高的涂層可以阻礙氧擴散通道的形成，而盡可能選用抗氧化性強的基體材料也是必要的。當硬質涂層被氧化且涂層內部形成氧擴散通道時，基體不易被氧化則能夠形成層間氧化物。氧化膜生長所引起的氧化應力受到抑制，從而改善硬質涂層的抗熱震性。

　　在涂層中加入某些元素可以提高涂層抗氧化性，如在TiN 涂層中加入Al 元素形成(Ti，Al)N 涂層。與TiN 膜層相比，(Ti,Al)N 膜層高溫氧化阻力明顯提高，適當Ti/Al 比率的(Ti,Al)N 膜層可以將TiN 膜層的抗氧化溫度由550℃提高到925℃， 其原因之一是其自身形成了抗氧化的Al2O3 薄層，該薄層能夠有效抑制膜層被進一步氧化。

　　3.3、改良硬質涂層的設計

　　復合硬質涂層的設計能夠提高涂層的“致密性”，阻礙氧擴散通道的形成，如圖1 所示。對于復合涂層中的每一層而言，致密性并沒改善，但是涂層的疊加讓各層中所包含的微孔和微裂紋不連在同一軸線方向上，從而抑制氧擴散通道的形成，進而提高硬質涂層的抗熱震性。

圖1 抑制氧擴散復合涂層結構示意圖

　　而梯度涂層能夠形成基體與涂層、涂層之間的逐漸成分過渡，從而提高基體與涂層及各層之間的結合力。采用某些或某個組元的成分沿膜層厚度方向連續變化，以緩解結合部分性能的不匹配。如TiN 梯度涂層，其N 的含量由基體界面向涂層表面依次遞增。真空技術網(http://smsksx.com/)認為如此一來，與基體接觸的硬質涂層一側擁有高的金屬含量，以保證涂層與基體間的高結合力；而在涂層表面N 的含量達到預定的要求以保證硬質涂層的硬度。

4、結束語

　　綜上所述，從硬質涂層熱震損傷現象分析，彈性損傷和能量損傷為主導并可能伴有氧化損傷。改善硬質涂層抗熱震性的根本途徑在于，提高涂層的韌性和抗氧化性、減少涂層和基體的不匹配因素、提高基體的抗氧化性和韌性等三個方面。此外，為實際應用考慮，有必要將熱震過程中硬質涂層硬度變化也作為表征硬質涂層抗熱震損傷的一個補充依據。