一种评估多层薄膜膜基结合强度的方法与流程

本发明属于薄膜测评领域，尤其涉及一种评估多层薄膜膜基结合强度的方法。

背景技术：

h13钢是应用较为广泛的热作模具，广泛应用于热模锻，热挤压模和有色金属压铸模。但是其工作条件非常恶劣，热锻模表面要承受高温，高压以及较大的冲击力，容易造成模具失效。因此模具的寿命成为一个突出的问题。

薄膜技术的出现很好的解决了上述问题。其中，pvd涂层技术是一种应用非常广泛的薄膜技术。pvd膜可以提高工件的表面强度，增加其耐磨性、防腐蚀性、抗高温氧化性等一系列力学性能。pvd硬质涂层最早出现在20世纪70年代，最早的二元氮化物硬质涂层主要代表为crn、tin。它们具有较好的硬度及耐磨性能，但是并不足以满足各种工况，因此后来出现三元氮化物甚至四元氮化物如craln、crmon、crtialn、crmoaln，这些多元硬质涂层性能更加优异。但是，不管是何种形式的硬质氮化物涂层，都存在一个涂层脱落失效的问题即膜基结合力的问题。因此，如何深入评估涂层膜基结合性能是一个亟待解决的问题。

目前，涂层与基体结合强度的评价方法主要有以下三种：

（1）划痕法：采用高硬度的划针或者划头划过涂层薄膜表面，逐渐增加载荷，当载荷增加到一定值时，薄膜就发生破裂脱落，此时载荷值称为临界载荷，对应的位置为临界失效位置。其方法原理简单，因此被广泛使用，但是划痕实验过程包含很多变形失效过程，因此所得结果仅仅是相对定性的表征。

（2）拉伸法：拉伸法用粘结或焊接的方式将薄膜涂层和基体分别固定在拉伸棒端面测量涂层从基体剥落时的载荷大小即结合强度。此法简单，应用也较广，但是受限于粘结剂的强度必须大于界面强度，及操作过程中的偏心等外界因素。此法只适用于结合强度低的膜基结构。

（3）压痕法：压痕法是对涂层试样在不同载荷工况下进行压入试验，通过分析压痕周围涂层的开裂情况确定其结合强度。压入过程可以分为三个阶段：初始阶段，压入载荷不大，界面和基体一起变形；逐渐增加载荷，涂层与基体界面上开始产生侧向裂纹；当裂纹扩展到一定阶段，涂层脱落。此时对应的载荷即临界载荷。目前应用较广的有纳米压痕法、垂直拉伸法、三点弯曲测试法、接触疲劳法和刮剥法测量方法等直接定量检测法。但是由于实验操作的复杂及条件所限，这些方法多少存在不足。

现如今，随着计算机的广泛应用，各种有限元模拟软件也逐渐替代了部分传统的实验方法，如abaqus、ansys等软件。应用软件模拟薄膜性能不受各种现实条件的约束，并且可反复操作，大大节约了成本、时间及人为造成的误差。此外，abaqus软件可以模拟建模分析复杂薄膜性能研究系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题。但是，仅仅通过软件获得的结果并不能令人信服，且相应的参数还要通过实验方法获得。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供一种评估crn-crmoaln多层薄膜膜基结合强度的方法，通过实验获得相应参数后，再利用应用软件建模并进行纳米压痕仿真，进行膜基结合性能的研究。

为此采用如下的技术方案：一种评估多层薄膜膜基结合强度的方法，其特征在于通过以下步骤：

步骤1）通过磁控离子镀在h13基体沉积crn层获得单层crn薄膜；所述磁控离子镀的参数设置为cr靶电流4a，偏压-75v，沉积时间600s；

步骤2）通过磁控离子镀在h13基体沉积crn-crmoaln多层薄膜；所述磁控离子镀的参数设置为cr靶电流4a，al靶及mo靶电流6a，偏压-75v，crn过渡层沉积600s，crmoaln功能层沉积1800s；

步骤3）采用纳米压痕仪分别对h13基体、步骤1）制得的单层crn薄膜及步骤2）制得的crn-crmoaln多层薄膜以连续刚度法测量弹性模量；具体是在最大压深为1000nm时，通过所述的纳米压痕仪测量弹性模量值；

步骤4）采用涂层附着力自动划痕仪获取涂层分离临界载荷lc及涂层分离轨迹宽度dc；实验参数设置为最大载荷为30n，加载速率为30mn/s，划痕长度为1mm；

步骤5）采用销盘磨损试验仪对步骤2）制得的crn-crmoaln多层薄膜进行摩擦磨损实验测出其摩擦系数；实验参数设置为载荷15n，对磨件为直径4mm的w-6%co球，转速637r/min，测试时间1800s,磨痕直径6mm,测试温度25℃；

步骤6）通过abaqus6.13软件对crn-crmoaln多层薄膜进行建模及膜基结合性能的分析，具体过程如下：

步骤6.1）建模：打开abaqus6.13软件，在part单元分别构建刚性压头、crn-crmoaln多层薄膜模型；模型采用二维轴对称结构；crn-crmoaln多层薄膜模型在基体与薄膜之间构建一层cohesive单元；其中：刚性压头为维式压头，crn-crmoaln多层薄膜中crn及crmoaln膜厚比1：3，cohesive单元厚度为0.1μm，h13基体厚度为50μm；

步骤6.2）参考点设置：定义刚性压头与薄膜接触点为参考点；

步骤6.3）材料属性：在property单元，定义crn过渡层、crmoaln功能层为线弹性材料即只需定义材料泊松比、弹性模量；定义h13基体为理想弹塑性材料即只需定义材料泊松比、弹性模量及屈服强度；定义cohesive单元层损伤准则采用最大应力损伤准则，并采取能量法则控制，cohesive单元的刚度与基体模量一致，cohesive单元的断裂强度按如下公式（ⅰ）计算：

式中：lc：涂层分离临界载荷，单位n；dc：涂层分离轨迹宽度，单位μm；μ：薄膜摩擦系数；涂层泊松比；

cohesive单元的断裂能根据公式（ⅱ）计算：

式中：涂层断裂强度，单位mpa；t：涂层厚度，单位μm；涂层弹性模量，单位mpa；

步骤6.4）设置分析步：在step单元中设置分析步，第一步设置加载，第二步设置卸载，并定义相应的输出变量；

步骤6.5）定义接触：在interaction单元中定义压头与薄膜接触为光滑无摩擦；

步骤6.6）施加载荷与边界条件：固定模型的对称轴水平位移及基体底边纵向位移；在定义的参考点处用压入深度来代替施加的静载荷；

步骤6.7）网格划分：在mesh单元中，h13基体与crn-crmoaln多层薄膜的网格单元类型采用cax4r型；凝聚性单元模块单元网格采用cohax4型；

步骤6.8）后处理分析：在job单元中递交任务获取模型载荷位移曲线及应力云图。

本发明采用abaqus6.13基于双线性内聚力模型对crn-crmoaln多层薄膜建模并进行纳米压痕仿真，进行膜基结合性能的研究。相应的参数通过纳米压痕实验、划痕实验、摩擦磨损实验提供，具有可靠，准确、方便、创新等优点。而且在建模过程中，参数模型中所使用的参数均来自实验，具有可靠性。并利用公式（i）及公式（ii）很好的解决了cohesive单元中断裂强度及断裂能这两个重要参数，具有独创性。

与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：第一，与传统的实验分析膜基结合力的方法相比，本实验基于abaqus软件进行模拟分析，具有较高的可操作性与可逆性，不受实验条件限制，大大节省时间和成本。第二，模拟过程中加入双线性内聚力模型，相对于一般的模拟分析，使结果更加直观、真实，准确。模型中所使用的参数均来自实验，具有可靠性。并利用公式（i）及公式（ii）很好的解决了cohesive单元中断裂强度及断裂能这两个重要参数，具有独创性。第三，本发明并不局限于氮化物硬质薄膜与h13基体的膜基结合性能的研究，还可应用于其他膜基系统的结合性能的研究，具有广泛性。

附图说明

图1为crn-crmoaln多层薄膜结构示意图。

图2为实施实例1~5涂层表面形貌sem放大图。

图3为实施实例1~5涂层截面形貌sem放大图。

图4至图6分别为实施实例1~5的h13基体、单层crn薄膜及crn-crmoaln多层薄膜弹性模量曲线。

图7为实施实例1~5的crn-crmoaln多层薄膜划痕表面，并标记出了涂层分离轨迹宽度dc。

图8为实施实例1~5的crn-crmoaln多层薄膜经划痕仪载荷变化图。并在峰值处标记出涂层临界脱落载荷lc。

图9为实施实例1~5的薄膜在abaqus中建立的模型示意图，其中膜厚比1:3。

图10为模型内聚区的双线性牵引力-分离法则。

图11为实施例一至五的经纳米压痕仿真后获得的载荷位移曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。

具体实施例一：

参见附图。步骤1）采用英国teer公司制造的teer-udp650/4型闭合场非平衡溅射离子镀设备在h13基体1沉积crn层2获得单层crn薄膜3，所述单层crn薄膜厚度为0.9μm；参数设置为：cr靶电流4a，偏压-75v，沉积时间600s。

步骤2）采用英国teer公司制造的teer-udp650/4型闭合场非平衡溅射离子镀设备在h13基体沉积crn-crmoaln多层薄膜，所述crn-crmoaln多层薄膜厚度为3.6μm；参数设置为：cr靶电流4a，al靶及mo靶电流6a,偏压-75v，crn过渡层沉积600s，crmoaln功能层沉积1800s。

其中crn-crmoaln多层薄膜中crn过渡层与crmoaln功能层的厚度比为1：3，参见图1。图2及图3是制备所得crn-crmoaln多层薄膜电镜放大10000倍后的薄膜表面形貌及截面形貌图。薄膜表面呈紧密颗粒状，截面呈柱状晶形式，具有良好的力学性能。

步骤3）采用美国g200纳米压痕仪分别对h13基体、步骤1）所制得的单层crn薄膜及步骤2）所制得的crn-crmoaln多层薄膜采用连续刚度法测量弹性模量，实验参数设置为：最大压深为1000nm，算其弹性模量值。根据图4~图6，可知h13、crn单层薄膜及crn-crmoaln多层薄膜的弹性模量分别为235000mpa、260000mpa及310000mpa。

步骤4）采用国产ws-2005涂层附着力自动划痕仪获取涂层分离临界载荷lc及涂层分离轨迹宽度dc。其中：最大载荷为30n，加载速率为30mn/s，划痕长度为1mm。图7中箭头标记处为涂层剥落位置，测出薄膜剥离轨迹宽度dc约为58.5μm。图8中箭头标记的位置为薄膜脱落的位置，测得其临界分离载荷lc约为28.2n。

步骤5）采用ht-4001型销盘磨损试验仪对步骤2）所制得的crn-crmoaln多层薄膜进行摩擦磨损实验测出其摩擦系数。其中：载荷15n，对磨件为直径4mm的w-6%co球，转速637r/min，测试时间1800s,磨痕直径6mm,测试温度25℃。测得crn-crmoaln多层薄膜摩擦系数为0.271。

步骤6）crn-crmoaln多层薄膜仿真过程，具体过程按如下步骤进行：

步骤6.1）建模：打开abaqus6.13，在part单元分别构建刚性压头、crn-crmoaln多层薄膜模型。模型采用二维轴对称结构。crn-crmoaln多层薄膜模型在基体与薄膜之间构建一层cohesive单元。其中：刚性压头为维式压头，crn-crmoaln多层薄膜中crn及crmoaln膜厚比1：3，总厚度设定为3.6μm，cohesive单元厚度为0.1μm，h13基体厚度为50μm。

步骤6.2）参考点设置：定义刚性压头与薄膜接触点为参考点。

步骤6.3）材料属性：在property单元，定义crn过渡层、crmoaln功能层为线弹性材料即只需定义材料泊松比、弹性模量；定义h13基体为理想弹塑性材料即只需定义材料泊松比、弹性模量及屈服强度；定义cohesive单元层损伤准则采用最大应力损伤准则，并采取能量法则控制。cohesive单元的刚度与基体模量一致，cohesive单元的断裂强度按如下公式（ⅰ）计算：

式中：lc：涂层分离临界载荷，单位n；dc：涂层分离轨迹宽度，单位μm；μ：薄膜摩擦系数；涂层泊松比；

cohesive单元的断裂能根据公式（ⅱ）计算：

式中：涂层断裂强度，单位mpa；t：涂层厚度，单位μm；涂层弹性模量，单位mpa；

步骤6.4）设置分析步：在step单元中设置分析步。第一步设置加载，第二步设置卸载。并定义相应的输出变量。

步骤6.5）定义接触：在interaction单元中定义压头与薄膜接触为光滑无摩擦。

步骤6.6）施加载荷与边界条件：固定模型的对称轴水平位移及基体底边纵向位移。在定义的参考点处用压入深度来代替施加的静载荷。

步骤6.7）网格划分：在mesh单元中，h13基体与crn-crmoaln多层薄膜的网格单元类型采用cax4r型；cohesive单元网格采用cohax4型。

步骤6.8）后处理分析：在job单元中递交任务获取模型载荷位移曲线及应力云图，以此分析模型结合性能。

图9是根据技术方案步骤6）所建立的crn-crmoaln多层薄膜模型，并根据步骤2）及相关文献赋予材料属性如下表所述：

根据上述步骤1）至步骤5）所获得的参数代入公式（i）及公式（ii）得到内聚界面cohesive单元层的断裂强度为4500mpa，断裂能为118j/m²。并取cohesive单元的刚度为235000mpa(与基体弹性模量一致)。内聚区的双线性牵引力-分离法则参考图10。根据技术方案设置分析步、定义接触、网格划分、边界条件。

本例中，纳米压痕仿真加载过程中，设置压入深度为2.88μm，及d/t=0.8。提交分析后得到图11中的载荷位移曲线a；由图可以看出仿真过程中，分两个部分即加载和卸载过程。由于刚性压头的压入，使h13基体发生了塑性屈服，因此卸载路径和加载路径并未重合。但是整个载荷位移曲线都是光滑无突变，说明基体涂层之间并未发生脱离，也就是说在此压痕深度下，薄膜与基体具有较好的结合性能。进一步分析本例即压深比在d/t=0.8下，卸载后模型的径向应力云图。由图可看出在靠近对称轴内聚单元区径向应力达到最大值为3937mpa，小于设定的断裂强度4500mpa。因此薄膜并未脱落。

具体实施例二：

本例步骤1）至步骤5）同实施例一所述。在步骤6）中，设置最大压入深度与薄膜厚度比为d/t=1.0。本例相对于实例1压入深度增大，图11曲线b为此例的载荷位移曲线。在加载过程中，路径与实例1保持一致，并随着压入深度增加基体发生了更多的塑性屈服，因此卸载后弹性恢复的更少，卸载路径与加载路径不重合。进一步分析本例卸载后模型的径向应力云图。同样在靠近对称轴内聚单元区径向应力达到最大值为4256mpa，小于所设定的断裂强度。因此薄膜未发生脱落。

具体实施例三：

本例步骤1）至步骤5）同实施例一所述。在步骤6）中，设置最大压入深度与薄膜厚度比为d/t=1.2。图11曲线c为本例的载荷位移曲线。同样，无论是在加载还是卸载过程中，曲线保持光滑平顺，未发生突变。说明内聚区未发生损坏，只是基体发生了较大的塑性变形。进一步分析本例卸载后模型的径向应力云图。同样在靠近对称轴内聚单元区径向应力达到最大值为4486mpa，小于所设定的断裂强度。因此薄膜未发生脱落。

具体实施例四：

本例步骤1）至步骤5）同实施例一所述。在步骤6）中，设置最大压入深度与薄膜厚度比为d/t=1.4。图11曲线d为本例的载荷位移曲线。在加载过程中，加载路径平顺与实例1~3保持一致，但是在卸载过程中，卸载曲线在深度约为2.7μm出发生突变，在该点处，支反力突然跃升，然后缓慢下降至0。这说明薄膜与基体之间已经发生脱离。这个过程可以解释为：由于此次模拟通过位移控制压入深度，因此在在卸载过程中，薄膜的弹性恢复只能顺着刚性压头卸载量恢复，同时发生塑性屈服的基体也逐渐恢复部分弹性变形。在突变处，基体部分弹性恢复完成，此时涂层弹性恢复力与内聚界面拉应力近似达到平衡，因此该处支反力接近0。继续卸载压头，此时涂层弹性恢复力大于内聚界面拉应力。因此，内聚界面发生损伤。进一步分析，薄膜开裂半径越来越大一直到卸载完成。可以判断，开裂部分发生断裂的条件是在卸载过程中径向拉应力大于内聚单元断裂强度4500mpa从而使内聚单元失效。

具体实施例五：

本例步骤1）至步骤5）同实施例一所述。在步骤6）中，设置最大压入深度与薄膜厚度比为d/t=1.6。图11曲线e为本例的载荷位移曲线。同实施例四，在卸载曲线中，在深度约为3.6μm处发生突变。发生突变的原因同实施例四。只是由于更大的压入深度，涂层发生脱落的速度更快。进一步分析在压深比更大的情况下，薄膜开裂半径也越大，也就是说膜基结合力就越差。

需要注意的是，在这五个实例中，薄膜发生脱落都在卸载过程，但是在加载过程中都未发生脱落。这是由于在纯法向载荷下，只有当压入深度非常大导致界面层的剪切应力大于内聚单元区的断裂强度时才发生脱落。