微尺度激光喷丸强化TiN涂层的实验研究.docx

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微尺度激光喷丸强化TiN涂层的实验研究

微尺度激光喷丸强化TiN涂层的实验研究#

卫登辉，周建忠，黄舒，樊玉杰，朱伟**

基金项目：

基金项目：

教育部博士点基金（NO.200802990004）；江苏省自然科学基金（No.BK2009219）；

江苏省高校自然科学基金重大项目基金资助项目（No.08KJA460002）；江苏大学校科研项目基金资助项目

（NO.1291110034）

作者简介：

卫登辉，（1986-），男，硕士研究生，主要研究方向：

微尺度激光喷丸强化技术等方面的研究

通信联系人：

周建忠，（1964-），男，江苏无锡人，教授，博士生导师，江苏大学光学工程学科带头人，主

要从事先进激光制造技术及微塑成形理论与微细加工技术等方面的研究.E-mail:

zhoujz@

（江苏大学机械工程学院，江苏镇江212013）

5摘要：

微尺度激光喷丸强化是在宏观激光喷丸强化的基础上发展而来的一种主要应用于金属

微构件表面处理的新技术，其采用的激光光斑尺寸在μm量级，脉冲激光能量在μJ~mJ范围。

为了进一步提高TiN涂层的表面性能，对TiN涂层表面进行了微尺度激光喷丸强化处理。

利

用光学轮廓仪和纳米力学测试系统测量了不同激光工艺参数作用下，TiN涂层喷丸区域的表

面形貌、纳米硬度及弹性模量分布。

结果表明，喷丸区域形成了最大深度约1.2μm的圆锥

10形凹坑；纳米硬度和弹性模量在喷丸中心处变化最大并在一定范围内随着激光能量的增大而

增大，当激光能量为250mJ时，两者最大分别达到50.21GPa和402.8GPa，与初始状态相比

分别提高了140%和43.9%。

关键词：

激光技术；激光喷丸强化；TiN涂层；表面形貌；纳米硬度

中图分类号：

TN249;TG178

15

ExperimentalStudyofMicroscaleLaserShockPeeningon

TiNCoating

WEIDenghui,ZHOUJianzhong,HUANGShu,FANYujie,ZHUWei

（JiangsuUniversity,JiangSuZhenJiang212013）

20Abstract:

Microscalelasershockpeening（μLSP）basedonlasershockpeening（LSP）isanovel

surfacemodificationtechnologyaimedatmetalmicrostructures,withmicrometerslaserspotand

μJ~mJlaserenergy.μLSPonTiNcoatingisinvestigatedinthisstudytofurtherimprovethe

surfacepropertiesofTiNcoating.Opticalprofileandnanomechanicaltestsystemwereusedto

observeandmeasurethesurfacemorphology,nano-hardnessandelasticmodulusofTiNcoating

25inpeeningarea.Theexperimentalresultsshowthataconicaldentwasformedinpeeningarea

afterμLSP,thebiggestdepthisabout1.2μm;thenano-hardnessandelasticmoduluswere

significantlychangedinthecenterofpeeningarea,andwithinacertainrange,theyareenhanced

withtheincreaseoflaserenergy.Whenthelaserenergyis250mJ,thenano-hardnessandelastic

modulusarebothreachedthemaximum,50.21GPaand402.8GParespectively.Comparedwith

30theinitialstateofTiNcoatingbeforeμLSP,theyareincreasedby140%and43.9%respectively.

Keywords:

Lasertechnique;Lasershockpeening;TiNcoating;Surfacemorphology;

Nano-hardness

0引言

35近年来国内外学者对激光喷丸强化（LaserShockPeening,LSP）技术进行了大量的研究，

取得了一系列的进展和成果。

但目前有关LSP技术研究所采用的激光光斑尺寸通常在mm

量级，脉冲能量则在数焦耳至数十焦耳之间，其应用对象主要是面向宏观金属结构的表面处

理[1,2]

。

针对微机电系统中越来越多的金属微构件表面受损失效问题[3]

，Yao等[4-6]

提出了微

尺度激光喷丸强化（MicroscaleLaserShockPeening,μLSP）的概念。

μLSP是在LSP的基础

40上发展而来，所不同的是其采用的激光光斑在μm量级，脉冲能量则在μJ~mJ范围，主要是

应用于各种金属微构件（包括涂层薄膜微构件）表面的强化处理，其通过在金属微结构表面

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层产生有益的残余压应力分布，有效提高微构件的抗疲劳和磨损性能，进而提高其可靠性，

延长微结构器件的使用寿命。

μLSP与LSP基本强化原理相似，但又表现出不同的特点及影

响因素。

最为明显的为μLSP中特有的微尺度效应，其包括两个方面：

一是当激光光斑尺寸

45在μm量级时，原先激光能量的一维均匀分布假设不再成立，此时激光诱导的等离子体冲击

波不仅沿轴向传播，还沿径向扩张，激光冲击波不仅对靶材施加轴向冲击力，还施加径向冲

击力；二是由于被处理对象的尺寸极其微小，且靶材塑性变形区的大小与一个或几个晶粒的

大小相当，因而材料的许多特性与其在宏观尺寸下差别较大，材料的晶粒组织和各向异性对

塑性变形行为影响严重[7,8]

。

50工业中采用物理或化学气相沉积方法制备所得的TiN涂层的硬度一般在20GPa左右，

弹性模量在250GPa左右。

随着应用的广泛，人们对TiN涂层的综合性能提出了越来越高的

要求，随即出现了许多对TiN涂层进行改性的技术，如采用多组元、多层及复合涂层等来

进一步改善TiN涂层的硬度、耐磨损性以及与基体的结合强度等性能[9,10]

。

采用微尺度激光

喷丸强化技术应用于TiN涂层的改性，在不改变涂层自身成分及相态的基础上，具有灵活

55性高、可控性强、柔性大等优点。

本文采用直径为300μm的激光光斑对TiN涂层进行单点

微尺度激光喷丸强化处理，分析讨论不同激光工艺参数作用下涂层喷丸区域的表面形貌、纳

米硬度及弹性模量分布，为后续大面积搭接喷丸表面完整性研究提供指导。

1实验

TiN涂层选用刀具中常用的WC硬质合金作为基体材料，试样尺寸为12×12×2mm

3

。

60涂层的制备选用苏州星弧涂层科技有限公司的Jupiter系列PVD（物理气相沉积）涂层设备，

通过Starsphenc-02涂层测厚仪测得TiN涂层的平均厚度为2.65μm。

图1微尺度激光喷丸强化实验装置图

Fig.1Experimentalsetupofmicroscalelasershockpeening

65

微尺度激光喷丸强化实验装置如图1所示，其中激光器为Spitlight2000型调QNd:

YAG

脉冲激光器（激光波长1064nm，脉冲宽度8ns，重复频率5Hz），通过会聚透镜将激光光

束直径聚焦为300μm左右。

采用黑漆作为能量吸收层，厚度约10μm；约束层则选用3mm

厚的K9光学玻璃。

实验中在试样中心区域冲击3排，每排代表一种激光能量，同时每排冲

70击5个点以方便求取各响应值的平均值，各冲击点冲击次数为1次，间距为1mm。

2结果与讨论

2.1表面形貌

在微尺度激光喷丸强化中，当激光诱导的冲击波峰值压力超过试样材料的动态屈服强度

时，试样表面就会产生塑性变形，从而形成具有一定深度的圆形凹坑。

本文采用VEECO

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75WYKONT1100型非接触式光学轮廓仪，对激光喷丸后试样的表面形貌进行检测分析。

运用

该光学轮廓仪中的垂直扫描干涉测量法，可准确测量材料表面的高度微差，并通过分析软件

Vision3.0计算生成扫描区域的三维形貌。

（a）三维云图（b）平面云图

80（a）3Dimage（b）2Dimage

（c）X方向表面凹坑轮廓（d）Y方向表面凹坑轮廓

（c）DentprofileofXdirection（d）DentprofileofYdirection

图2典型TiN涂层喷丸区域表面形貌图

85Fig.2TypicalpeeningareamorphologyofTiNcoating

图2所示为TiN涂层试样经单点微尺度激光喷丸强化后喷丸区域典型表面形貌图，所

用激光能量为200mJ。

图2（a）、（b）分别为试样喷丸区域三维及平面云图，其中扫描区

域为226×297μm，由图可以发现，凹坑近似为一个圆形，只是在右上角有所缺失，这与激

90光光束的不稳定性及黑漆喷涂不均匀性有关。

图2（c）、（d）为试样喷丸区域任一横截面

处X和Y方向的表面轮廓图，由图可知，凹坑变形直径约为200μm，小于激光光斑直径，

这是由于激光能量在空间为高斯分布，而TiN涂层的材料屈服强度又很高，在激光光斑边

缘处激光能量较小，材料表面不足以产生塑性变形。

同时，由图中还可以发现，试样喷丸区

域塑性变形沿光斑中心处近似为对称分布，并在喷丸区域中心处塑性变形达到最大，随着与

95喷丸区中心距离的增大，塑性变形逐渐减小并在凹坑边缘处出现轻微的凸起。

由于图中单位

在微米量级，因而曲线波动较大，不过总体趋势较为理想。

图3不同激光能量下凹坑轮廓

Fig.3Dentprofilesunderdifferentpulseenergy

100

图3所示为不同激光能量下试样表面喷丸区域的凹坑轮廓。

由图中可以发现，随着激光

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能量的增大，凹坑塑性变形范围与变形深度也随之增大，在激光能量为250mJ时，凹坑最

大塑性变形深度达到1.2μm。

2.2纳米硬度

105微尺度激光喷丸强化通过使TiN涂层表面产生塑性变形，并形成一定深度有益的残余

压应力分布，从而提高其表面的硬度及耐磨损性能，因此如何正确表征涂层试样经冲击后表

面硬度的变化，是研究微尺度激光喷丸TiN涂层表面强化的一个关键问题。

本文采用triblab

原位纳米力学测试系统，对试样表面进行纳米压痕测试，最终获得不同激光能量下TiN涂

层表面的硬度及弹性模量值。

试验中选用原位成像模式进行加载，施加最大载荷为1500μN，

110以恒定速率150μN/s进行加载，达到最大载荷后保载10s，以减小蠕变对卸载位移的影响，

最后以同样速率卸载至最大载荷的10%，恒定载荷保持60s，同时监测位移用于温度漂移修

正。

图4所示为Berkovich金刚石压头在试样表面所形成的压痕三维形貌图，从图中可以看

出，压痕的接触半径约为0.2μm，压入深度约为50nm，远小于涂层厚度的1/8，因而测试不

会受到基体的影响。

115

图4压痕三维形貌图

Fig.43Dimageoftheindention

120（a）载荷—位移曲线（b）硬度与弹性模量值

（a）Load-depthcurve（b）Hardnessandelasticmodulus

图5不同激光能量下喷丸中心处纳米压痕测试

Fig.5Nano-indentiontestunderdifferentlaserenergy

125图5（a）所示为不同激光能量下TiN涂层表面激光喷丸中心处的载荷—位移曲线，图5

（b）为根据上述曲线计算所得的硬度与弹性模量值，TiN涂层在未经激光喷丸前硬度与弹

性模量分别为20.85GPa和279.92GPa；经过激光喷丸后，其硬度与弹性模量均随着激光能

量的增大而增大，在激光能量为250mJ时，硬度与弹性模量达到最大，分别为50.21GPa和

402.8GPa，提高了140%和43.9%，达到了金刚石、C-BN及β-C3N4等三类传统超硬质涂层

130（>50GPa）的硬度。

涂层喷丸区域内硬度与弹性模量的增大主要有以下三方面的原因：

一

是材料表层晶粒在激光冲击波压力作用下发生大量位错运动和孪晶，从而引起材料表面晶粒

细化；二是剧烈塑性变形引起材料表面的加工硬化效应；三是激光喷丸在喷丸区域内诱导了

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一定的残余压应力分布，这都有利于提高涂层表面的硬度等力学性能。

135（a）载荷—位移曲线（b）硬度与弹性模量值

（a）Load-depthcurve（b）Hardnessandelasticmodulus

图6喷丸区域内纳米压痕测试

Fig.6Nano-indentiontestwithinpeeningarea

140图6（a）所示为激光能量为250mJ时喷丸区域内不同位置处的载荷—位移曲线，从左

到右依次为喷丸中心处、距中心50μm和100μm处。

图6（b）为根据上述曲线计算所得的

硬度与弹性模量值，可以看出，TiN涂层在经过激光喷丸后，喷丸区域内的硬度与弹性模量

均有了一定程度的提高，其中喷丸中心处的变化最大，随着与喷丸中心距离的增大，硬度与

弹性模量依次降低，在距离喷丸中心100μm处，硬度与弹性模量达到最小，接近涂层未处

145理前的状态。

这与之前所得的试样表面喷丸区域塑性变形的变化趋势相一致（图3），即硬

度与弹性模量值随着塑性变形的增大而增大。

3结论

1）TiN涂层试样经单点微尺度激光喷丸强化后，喷丸区域形成了具有微小深度的圆锥

形凹坑，凹坑直径约为激光光斑直径的2/3；随着激光能量的增大，凹坑塑性变形范围与变

150形深度也随之增大，在激光能量为250mJ时，凹坑最大塑性变形深度达到1.2μm。

2）TiN涂层试样经单点微尺度激光喷丸强化后，试样表面喷丸区域内的硬度和弹性模

量均有了很大程度的提高，二者在喷丸中心处变化最大且随着与喷丸中心距离的增大而减

小；同时喷丸中心处的硬度和弹性模量在一定范围内随着激光能量的增大而增大，当激光能

量为250mJ时，两者达到最大值分别为50.21GPa和402.8GPa，与初始状态相比分别提高了

155140%和43.9%。

本文采用微尺度激光喷丸强化技术对TiN涂层表面进行处理，在不改变涂层自身成分

及相态的基础上进一步提高了其表面硬度、弹性模量等力学性能，提供了一种改善薄膜涂层

表面性能的新方法，有助于拓展激光技术在薄膜涂层表面改性领域的应用。

160[参考文献]（References）

[1]黄舒,周建忠,蒋素琴,等.激光连续喷丸强化过程中应力的动态分析[J].中国激光,2010,37

（1）:

256-260.

[2]杨超君,周建忠,张永康,等.激光冲击金属板料变形的最小激光能量估算及其实验研究[J].光学精密

工程,2006,14（3）:

396-401.

165[3]胡光伟,刘泽文,侯智昊,等.用于制备高机械可靠性RFMEMS开关的新型工艺[J].光学精密工程,

200816（7）:

1213-1217.

[4]ZHANGWW,YAOYL.Microscalelasershockprocessingofmetalliccomponents[J].Journalof

ManufacturingScienceandEngineering,2002,124

（2）:

369-378

[5]ZHANGWW,YAOYL,NOYANIC.Microscalelasershockpeeningofthinfilms,part1:

experiment,

170modelingandsimulation[J].JournalofManufacturingScienceandEngineering,2004,126:

10-17.

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[6]ZHANGWW,YAOYL,NOYANIC.Microscalelasershockpeeningofthinfilms,part2:

experiment,

modelingandsimulation[J].JournalofManufacturingScienceandEngineering,2004,126:

18-24.

[7]WEIDH,ZHOUJZ,HUANGS,etal..Progressintheoryandapplicationresearchonmicroscalelasershock

peening[J].AdvancedMaterialsResearch,2010,135:

194-199.

175[8]GEERSMGD,BREKELMANSWAM,JANSSENPJM.SizeeffectsinminiaturizedpolycrystallineFCC

samples:

strengtheningversusweakening[J].InternationalJournalofSolidsandStructures,2006,43:

7304-7321

[9]王亮,许晓磊,许彬等.离子氮碳共渗与离子镀TiN复合处理研究[J].金属热处理学报,1999,20（3）:

52-55.

[10]董瑜亮,闫旭波,赵升升,等.（Ti,Al）N/Ti2AlN涂层的制备[J].金属学报,2010,46（6）:

743-747.