刀具涂层残余应力拉曼测量关键问题及循环服役载荷作用下的演化表征

It is a guarantee to obtain the best performance of the tool and improve its service life that deeply understanding and quantitatively characterizing the distribution of residual stress of tool coating and its evolution in the service environment. Micro-Raman spectroscopy, which has the advantages of no damage, in situ and high spatial resolution, is one of the most potential methods of the micro-scale experimental mechanics. Aiming at some key problems of tool coating residual stress Raman measurement and the characterization of residual stress evolution under cyclic service load, this project intends to deduce the theoretical relationship between Raman shift and stress of anisotropic coating materials for different surface measurements, provide the range of the difference between the Raman shift to stress coefficient for different surface measurements and for the same surface measurement of the coating prepared by different process parameters separately, determine the calibration method of the reference Raman shift of the coating material, study the evolution of residual stress in the tool coating under cyclic thermal shock loading, friction and wear, and the actual service of the tool, establish the damage-failure model of tool coating considering the influence of the residual stress evolution and further predict the service life of the coating.

深刻认识、定量表征刀具涂层的残余应力分布及其在服役环境下的演化，是获得刀具最佳性能并提高其使用寿命的重要保障。微拉曼光谱技术具有无损、在线、空间分辨率高等优势，是一种具有发展潜力的微尺度实验力学测试新技术。本项目针对刀具涂层残余应力拉曼测量的若干关键问题及循环服役载荷作用下的演化表征，推导各向异性涂层材料不同表面测量的拉曼频移-应力理论关系式，分别给出不同表面测量和不同工艺参数制备的同种涂层同一表面测量的拉曼频移-应力系数的差异值范围；确定出科学的涂层材料基准拉曼频移的标定方法；进行刀具涂层循环热冲击载荷作用下、摩擦磨损后和刀具实际循环服役期间的残余应力演化表征；建立考虑演化的残余应力影响的刀具涂层损伤失效模型，进而对涂层的服役寿命进行预测。

深刻认识、定量表征刀具涂层的残余应力分布及其在服役环境下的演化，是获得刀具最佳性能并提高其使用寿命的重要保障。微拉曼光谱技术是一种具有发展潜力的微尺度实验力学测试新技术，但将其应用于涂层结构的残余应力测量和涂层结构残余应力实际测量表征方面，尚存在一些关键问题亟需解决。本项目在国家自然科学基金的支持下，开展涂层残余应力拉曼测量关键问题及循环服役载荷作用下的演化表征相关研究，在各向异性涂层拉曼应力测量理论、涂层材料拉曼应力测量方法与技术、涂层结构残余应力分布及循环服役载荷作用下的演化表征等方面取得了较为突出的学术进展。.1．建立了各向异性氧化铝涂层不同表面测量的拉曼频移-应力分量理论关系式，确定了取向氧化铝涂层表面和截面测量的拉曼频移-平面应力分量定量关系式，分析给出了表面和截面使用同一拉曼频移-应力定量关系获得的应力结果的偏差范围，为各向异性涂层不同表面的拉曼光谱应力测量提供了理论依据。.2．确定了科学的涂层材料零应力基准拉曼频移的标定方法，有助于推进涂层材料残余应力的拉曼测量标准化进程，同时有助于不同研究团队的实验结果的对比分析；开展了拉曼谱带多峰拟合的可重复性和函数适合度研究；研制了拉曼频移-应力系数测量辅助实验装置。.3．开展了涂层结构局部残余应力/应变分布、工艺过程对残余应力影响的实验分析；开展了刀具涂层在热冲击、摩擦磨损等循环服役载荷作用下的残余应力演化的实验表征；建立了刀具涂层的损伤失效模型，便于对涂层服役寿命进行更科学的预测。. 在本项目支持下，发表学术论文18篇，其中SCI检索14篇；申请专利3项；培养研究生7名（已毕业3名）；到国外开展合作研究1人次；项目负责人入选“天津市特聘教授青年学者”项目。