鄧建新，孟 瑩，張志慧，孫慶浩

（1.山東大學(xué)高效潔凈機(jī)械制造教育部重點實驗室，濟(jì)南 250061；2.山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南 250061）

現(xiàn)代裝備制造業(yè)的快速發(fā)展對機(jī)械高端裝備構(gòu)件的綜合性能提出了更高的要求，由于機(jī)械構(gòu)件長期服役于各種苛刻和復(fù)雜的服役環(huán)境中，不可避免會因腐蝕、磨損、疲勞等因素而發(fā)生表面損傷，從而影響裝備運行的可靠性。由于多數(shù)高端裝備構(gòu)件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，因此，如何進(jìn)一步提升裝備構(gòu)件的表面性能，延長其服役期限，是科研工作者面臨的共同問題。關(guān)鍵構(gòu)件的表面改性成為高端機(jī)械裝備可靠應(yīng)用的核心技術(shù)[1]。

涂層技術(shù)作為表面改性技術(shù)的重要支撐技術(shù)之一，自20世紀(jì)60～70年代問世以來，因其能用極少涂層材料賦予零構(gòu)件表面卓越性能的優(yōu)點而得到廣泛關(guān)注，目前在航空航天、石油化工、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域的防磨抗蝕方面獲得了較好的應(yīng)用，成為延長高端裝備構(gòu)件使役壽命的重要方法[2–3]。然而，隨著復(fù)雜工況條件對現(xiàn)代機(jī)械裝備要求的不斷提高，涂層技術(shù)仍面臨著提高涂層綜合性能的巨大挑戰(zhàn)[4]：由于涂層與基體之間存在化學(xué)及原子結(jié)構(gòu)、彈性模量、硬度、熱膨脹系數(shù)等物理機(jī)械性能上的差異，使得涂層與基體之間的結(jié)合受限，導(dǎo)致涂層發(fā)生過早失效；且傳統(tǒng)涂層構(gòu)件表面的高摩擦系數(shù)會影響裝備運行的穩(wěn)定性，從而限制了涂層在高速、重載等環(huán)境中的應(yīng)用。

為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，研究者們致力于從涂層自身角度出發(fā)來改善涂層的可靠性和耐久性，主要包括沉積參數(shù)優(yōu)化、涂層材料改性、涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計以及新涂層材料研發(fā)等[5–7]。雖然這些措施能夠不同程度地改善涂層的力學(xué)、耐磨、防腐及黏附等性能，但從實際應(yīng)用的角度考慮，目前涂層制備工藝已相對完善，通過調(diào)整涂層沉積工藝進(jìn)一步改善涂層性能的效果有限；另外，涂層工藝調(diào)控方法還存在處理周期長、難以實現(xiàn)技術(shù)統(tǒng)一化等問題。由于涂層和基體屬于層狀復(fù)合體系，因此，基體的力學(xué)性能和膜–基界面處的梯度性能對涂層性能的影響也不容忽視。源自于仿生摩擦學(xué)領(lǐng)域的表面織構(gòu)化技術(shù)是一種能夠通過改變基材表面的幾何結(jié)構(gòu)來改善零構(gòu)件表面行為的改性手段，其在發(fā)動機(jī)氣缸、機(jī)械密封、人工關(guān)節(jié)、軸承、磁存儲介質(zhì)等產(chǎn)品上的應(yīng)用表明了在改善基體表面潤滑狀態(tài)方面的有效作用[8]。為此，有學(xué)者提出基體織構(gòu)化與涂層沉積相結(jié)合的思路，利用兩者的協(xié)同改性作用控制涂層在基體表面的沉積行為，從而優(yōu)化涂層的表界面性能。雖然目前的研究還不夠系統(tǒng)，但其研究結(jié)果均證明了基體表面織構(gòu)化技術(shù)提高涂層綜合性能的可行性[9]。

基于上述問題，本文總結(jié)了基體表面織構(gòu)化的現(xiàn)有技術(shù)、優(yōu)缺點、關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計及應(yīng)用，綜述了基體表面織構(gòu)化與涂層協(xié)同作用的國內(nèi)外研究進(jìn)展，并闡述了基體表面織構(gòu)化對涂層表面性能和界面性能的影響機(jī)制，以期為進(jìn)一步提高織構(gòu)化涂層的綜合性能提供借鑒與指導(dǎo)。

1 表面織構(gòu)化

織構(gòu)源于自然界動植物表面形成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出優(yōu)異的減摩、減阻、潤滑、防污等特性?；诖?，研究者通過研發(fā)各種織構(gòu)化技術(shù)在零構(gòu)件表面制備一系列規(guī)則且具有一定尺寸和分布的微結(jié)構(gòu)，合理的表面織構(gòu)設(shè)計已被證明具有改善材料摩擦學(xué)及生物學(xué)性能的能力[10]。

1.1 表面織構(gòu)化加工方法

為了滿足不同領(lǐng)域和行業(yè)的需求，國內(nèi)外研究者們致力于開發(fā)各種表面織構(gòu)制備方法和裝備。目前常用的表面織構(gòu)制備方法主要包括激光加工、聚焦離子束加工、光刻加工、電火花加工、化學(xué)沉積法、機(jī)械加工法等[11]。

1.1.1 激光加工

激光加工是目前應(yīng)用最為廣泛的表面微納織構(gòu)加工技術(shù)，具有工藝簡單、重復(fù)性高、可控性好、環(huán)保等優(yōu)點。其工作原理是利用高能量激光束輻照基材表面，使表層材料進(jìn)行快速的融化、氣化，從而實現(xiàn)表面微結(jié)構(gòu)的加工。目前，激光織構(gòu)化在控制潤濕性、降低磨損、提高切削性能等方面得到了較好的應(yīng)用[12–13]。圖1所示為利用納秒激光器在不同刀具表面加工的魚鱗狀微織構(gòu)，圖2所示為利用飛秒激光器在硬質(zhì)合金刀具前刀面加工的納織構(gòu)形貌，這些織構(gòu)的存在能夠有效改善刀–屑接觸界面在切削過程中的潤滑和摩擦狀態(tài)。然而，伴隨著高能量激光脈沖帶來的熱效應(yīng)，納秒激光加工存在一些不可避免的問題，如產(chǎn)生熱影響區(qū)、熔渣堆積及微裂紋等，這種缺陷尤其體現(xiàn)在熔點低、硬度小的塑性金屬材料上（圖3）[14]。因此，在織構(gòu)化加工后，往往需要對基體表面進(jìn)行研磨、拋光處理。此外，飛秒激光雖然幾乎不受熱的影響，但其加工成本高、效率低。

圖1 納秒激光器在不同刀具表面加工的魚鱗狀微結(jié)構(gòu)Fig.1 Fish-scale microstructures fabricated by nanosecond laser on different tool surfaces

圖2 飛秒激光器在硬質(zhì)合金前刀面加工的納織構(gòu)Fig.2 Nano-texture on rake face of cemented carbide fabricated by femtosecond laser

1.1.2 電火花加工

電火花加工屬于非接觸式織構(gòu)化加工方法，其去除機(jī)理為通過脈沖火花放電產(chǎn)生的高溫和電腐蝕現(xiàn)象來實現(xiàn)的。借助該技術(shù)可以實現(xiàn)難以利用傳統(tǒng)機(jī)械方法加工的高熔點硬脆材料 （如硬質(zhì)合金、立方氮化硼（PCBN）等）表面織構(gòu)的制備，還適用于各種深孔、復(fù)雜形狀及曲面的制備。圖4為利用電火花加工的立方氮化硼刀具表面微織構(gòu)形貌[15]。目前關(guān)于電火花微織構(gòu)的研究主要聚焦在微織構(gòu)刀具和具有各種孔或腔的模具等方面，吳澤[16]和宋文龍[17]等證明了電火花微織構(gòu)刀具對切削性能的改善作用。然而，電火花加工要求工件具有導(dǎo)電性，且加工后表面有一定深度的影響層。

圖4 電火花加工方法在刀具前刀面制備的微織構(gòu)[15]Fig.4 Micro-texture prepared by EDM method on the tool rake face[15]

1.1.3 光刻加工

光刻加工技術(shù)是基于光刻膠感光后特性改變原理制備織構(gòu)的加工方法。首先將光刻掩膜版的圖案準(zhǔn)確地復(fù)制在光刻膠上，然后以光刻膠為掩膜保護(hù)，選擇性地加工掩膜層，最終獲得相應(yīng)的表面結(jié)構(gòu)[18]。相對于其他織構(gòu)化制備方法，光刻加工技術(shù)具有設(shè)備簡單、易操作、無制造缺陷等優(yōu)點。目前光刻技術(shù)多用于半導(dǎo)體元器件、集成電路等微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)制造中。然而光刻加工技術(shù)存在流程復(fù)雜、成本高等缺點。1.1.4 聚焦離子束加工

聚焦離子束技術(shù)是將離子束聚焦至亞微米甚至納米尺度，并通過控制離子束運動實現(xiàn)納米尺度精細(xì)圖案檢測和分析的無掩模加工技術(shù)。由于離子束波長較短且能量密度較大，能夠直接制造特征尺寸小于1μm的結(jié)構(gòu)，這在高精度微納織構(gòu)表面的制備中引起了極大的關(guān)注。目前，聚焦離子束加工已廣泛應(yīng)用于微型刀具、光電子器件以及納米生物器件等方面。圖5顯示了采用聚焦離子束加工方法在刀具表面制備微織構(gòu)的流程示意圖[19]。

圖5 聚焦離子束在金剛石刀具表面加工微織構(gòu)的流程示意圖[19]Fig.5 Schematic diagram of preparing micro-textures on the diamond tool surfaces by focused ion beam[19]

綜上所述，不同的表面織構(gòu)化技術(shù)具有各自的加工特點，表1給出了幾種典型表面織構(gòu)化制備技術(shù)的適用條件及優(yōu)缺點[20]。雖然已經(jīng)取得了大量研究進(jìn)展，但隨著微納技術(shù)的快速發(fā)展，尋求低成本、高效率、高精度的織構(gòu)化制造方法仍是表面織構(gòu)制備領(lǐng)域所面臨的迫切需求。近幾年涌現(xiàn)出了一系列新開發(fā)的表面織構(gòu)制備手段，包括振動輔助微切削[21]、超聲波振動輔助加工[22]、電流體噴射沉積[23]、激光沖擊[24]等。圖6和7所示分別為本課題組利用超聲滾壓設(shè)備在鋼基體表面加工的微織構(gòu)和采用電流體噴射沉積所制備的鋯鈦酸鉛微陣列。

圖6 超聲滾壓加工的表面微織構(gòu)Fig.6 Surface micro-textures machined by ultrasonic surface rolling treatment

圖7 電流體噴射沉積制備的鋯鈦酸鉛微陣列Fig.7 Lead zirconate titanate micro-arrays fabricated by electrohydrodynamic atomization

1.2 表面織構(gòu)參數(shù)設(shè)計

表面織構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)包括織構(gòu)形狀、分布位置、幾何參數(shù)（深度、寬度、面密度）、組合形式等。目前，表面織構(gòu)參數(shù)的設(shè)計并未形成統(tǒng)一的體系。許多研究表明，只有具有合適參數(shù)的表面織構(gòu)才能發(fā)揮其最優(yōu)的表面改性作用[25]。

表面織構(gòu)的形狀大多是基于自然界中動植物的獨特構(gòu)造而設(shè)計的[26]，如凹坑型、凸起型、溝槽型等基礎(chǔ)形狀和仿鯊魚皮織構(gòu)、仿荷葉織構(gòu)、仿四葉草織構(gòu)等仿生形狀。圖8為利用激光加工技術(shù)在硬質(zhì)合金基體表面加工的不同形狀微織構(gòu)形貌。王再宙等[27]采用激光加工技術(shù)在基材表面分別制備了不同的仿生微結(jié)構(gòu)（凹坑、凸包、波紋、鱗片），并指出鱗片型微織構(gòu)表面具有最佳的抵抗摩擦和磨損的能力。此外，國內(nèi)外學(xué)者們開展了大量的織構(gòu)幾何參數(shù)和分布位置優(yōu)化研究，于如飛等[28]分析了不同織構(gòu)分布位置對徑向軸承流體動壓潤滑特性的影響，結(jié)果表明，當(dāng)織構(gòu)分布在壓力下降區(qū)和最大壓力附近時，能夠有效地改變軸承油膜壓力的分布情況。Wakuda 等[29]在基材表面加工了不同面密度和直徑的微坑織構(gòu)，發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)表面赫茲接觸寬度小于微凹坑直徑時，微坑織構(gòu)才會起到改善材料表面摩擦性能的作用。

此外，納米技術(shù)的快速發(fā)展使制造技術(shù)進(jìn)入了更小的尺度，有學(xué)者們提出將不同尺度的織構(gòu)進(jìn)行組合，制備多尺度微納復(fù)合織構(gòu)的思路，以期能夠進(jìn)一步發(fā)揮表面織構(gòu)的優(yōu)異特性，提高零構(gòu)件的表面性能。圖9為利用飛秒激光加工和納秒激光加工在刀具前刀面制備的微納復(fù)合織構(gòu)，結(jié)果表明，相比于單一尺度的織構(gòu)化刀具來說，微納復(fù)合織構(gòu)能夠進(jìn)一步提高刀具的切削性能，這主要歸因于微織構(gòu)和納織構(gòu)的協(xié)同作用。此外，不同形狀、幾何參數(shù)、分布位置的隨機(jī)組合也被證明對于表面織構(gòu)的服役性能有顯著影響。彎艷玲等[30]在鋁合金表面構(gòu)筑了溝槽–凹坑型復(fù)合微織構(gòu)，并研究了復(fù)合織構(gòu)對防覆冰性能的影響，結(jié)果表明，復(fù)合微織構(gòu)延緩了水滴在鋁合金表面的結(jié)冰時間，顯著增強(qiáng)了材料表面的疏水性。

圖9 硬質(zhì)合金刀具前刀面的微納復(fù)合織構(gòu)Fig.9 Micro-nano composite textures on the rake face of carbide tool

1.3 表面織構(gòu)的應(yīng)用

表面織構(gòu)技術(shù)涉及機(jī)械制造、醫(yī)學(xué)、微納機(jī)電系統(tǒng)（MEMS/NEMS）、新能源產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域，在軸承、發(fā)動機(jī)氣缸、機(jī)械密封、刀具、人工關(guān)節(jié)、磁存儲介質(zhì)等產(chǎn)品的應(yīng)用上展現(xiàn)出了良好的效果，能夠有效改善零構(gòu)件表面的耐磨性、潤濕性、減阻性、黏附性等性能。

在提高耐磨性方面，Stephens等[31]通過LIGA 技術(shù)在軸承表面加工了凸臺微織構(gòu)，結(jié)果表明，織構(gòu)化處理后的軸承表面摩擦系數(shù)顯著降低。Yue 等[32]在上下導(dǎo)軌的接觸面上制作不同方向的微溝槽，并與微織構(gòu)化導(dǎo)軌作為對照組來評估其摩擦學(xué)性能，結(jié)果表明，微織構(gòu)能夠在不同程度上改善導(dǎo)軌的摩擦性能。本課題組多年來致力于微織構(gòu)化刀具的研究開發(fā)及其減、抗磨機(jī)理研究，并取得了大量的研究成果，結(jié)果證明，合理的微織構(gòu)具有提高刀具性能的作用[33]。

在改善潤滑性方面，符永宏等[34]構(gòu)建了規(guī)則微觀幾何形貌條件下的缸套內(nèi)表面潤滑模型，并初步設(shè)計和優(yōu)化了織構(gòu)的幾何參數(shù)，發(fā)現(xiàn)即使在對磨副的表面加工單一的凹坑織構(gòu)，缸套表面也能保持較好的流體動壓效果。楊厚廷等[35]分析了織構(gòu)化人工膝關(guān)節(jié)的流體動力潤滑效應(yīng)，結(jié)果表明一定尺寸參數(shù)范圍內(nèi)的織構(gòu)化加工有利于改善人工膝關(guān)節(jié)的潤滑性能。

在增強(qiáng)生物兼容性方面，蔡蕓等[36]在血管支架內(nèi)表面制備了不同織構(gòu)參數(shù)的仿生織構(gòu)，發(fā)現(xiàn)織構(gòu)化血管內(nèi)的血流特性有了很大改善。Hen 等[37]采用激光加工技術(shù)在鈦合金表面制備了兩種方向的微溝槽（橫向和縱向），結(jié)果表明，細(xì)胞更容易附著在橫向微溝槽上，這證明了合理的織構(gòu)化預(yù)處理明顯改善了細(xì)胞與鈦合金基體的兼容性。

在提升黏附性方面，Ranian 等[38]在計算機(jī)硬盤的啟停區(qū)域加工了微凸起或微凹坑織構(gòu)，研究結(jié)果表明，織構(gòu)化處理顯著降低了磁頭與磁盤之間的接觸面積和吸附力，延長了計算機(jī)硬盤的使用壽命。劉舒鵬[39]為了改善微納機(jī)械器件的黏著、摩擦和磨損問題，利用等離子刻蝕技術(shù)和光刻技術(shù)在單晶硅表面上成功構(gòu)筑了柱狀微織構(gòu)，結(jié)果表明，微織構(gòu)具有明顯的減黏作用，并且微織構(gòu)還降低了探針與單晶硅表面之間的摩擦力。

此外，表面織構(gòu)還在減少噪音污染[40]、改善表面光學(xué)特性[41]、降低空氣阻力[42]等方面起到有效的作用，可以看出，表面織構(gòu)技術(shù)在改善零構(gòu)件表面性能方面具有廣闊的應(yīng)用空間。

2 基體表面織構(gòu)化與涂層協(xié)同作用的研究現(xiàn)狀

隨著對表面織構(gòu)與表面涂層技術(shù)研究的深入，兩者的協(xié)同改性作用得到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。通過眾多的試驗研究發(fā)現(xiàn)，將微/納織構(gòu)與涂層相結(jié)合可以獲得更優(yōu)的材料摩擦學(xué)性能，不僅體現(xiàn)在可以提高涂層表面的抗黏結(jié)磨損性能，還能增強(qiáng)涂層在基體表面的附著力[43]。

2.1 表面織構(gòu)與硬涂層的應(yīng)用

硬涂層通常具有高紅硬性和良好的耐磨性，目前主要用作硬質(zhì)合金、高速鋼、陶瓷等刀具表面的涂層，以提高刀具表面硬度，延長服役期限。然而，傳統(tǒng)硬質(zhì)涂層刀具在實際使用過程中存在明顯缺陷：如刀–屑接觸區(qū)摩擦系數(shù)較大，刀具磨損嚴(yán)重，膜–基界面結(jié)合強(qiáng)度低等?；诖耍糠謱W(xué)者提出將刀具基體表面進(jìn)行織構(gòu)化預(yù)處理后再沉積涂層的思路，以期增強(qiáng)涂層刀具的切削性能。

本課題組提出了基體表面織構(gòu)化涂層刀具的新概念，并成功設(shè)計和制備了織構(gòu)化TiAlN 涂層刀具、織構(gòu)化AlCrN 涂層刀具等，切削試驗結(jié)果表明，織構(gòu)化預(yù)處理能夠明顯提升硬涂層刀具的摩擦性能和切削性能，主要表現(xiàn)為切削力、切削溫度以及刀–屑間平均摩擦系數(shù)降低，刀具磨損程度變得輕微（圖10），且工件加工質(zhì)量得到明顯改善[44]。除了提高涂層表面性能外，張翔等[45]還發(fā)現(xiàn)基體表面納織構(gòu)化處理能顯著提高硬涂層與刀具間的黏附力，從而提升涂層刀具的黏附性能。Meng 等[46]利用超聲滾壓技術(shù)在鋼基體表面加工了不同間距的微溝槽織構(gòu)，隨后在織構(gòu)化的表面上沉積了AlTiN 涂層，劃痕結(jié)果表明，相比于沉積在拋光基體上的涂層試樣，沉積在間距為150μm 織構(gòu)化基體上的涂層試樣具有更好的界面結(jié)合力，這表明合理的表面織構(gòu)能夠提高膜–基界面結(jié)合強(qiáng)度，從而提升涂層界面的黏附性能，并且在油潤滑工況下，織構(gòu)化涂層試樣的磨損程度減輕，提高了涂層的抗磨能力。

圖10 基體織構(gòu)化前后TiAlN 涂層刀具的磨損形貌和最大磨損值變化[44]Fig.10 Wear morphologies and maximun flank wear of TiAlN coated tools before and after substrate texturing[44]

此外，基體表面織構(gòu)化與硬涂層的協(xié)同作用在提高鈦合金、鋁合金、鎳基合金等航空航天材料摩擦性能方面的有效性也得到了認(rèn)證，徐上等[47]研究了織構(gòu)化TC11 鈦合金表面涂覆TiAlSiN 涂層在脂潤滑工況下的摩擦學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)高硬度的涂層能夠起到保護(hù)鈦合金基體的作用，從而減緩磨損，表面織構(gòu)則能夠通過降低摩擦系數(shù)來提高TC11鈦合金表面的減摩能力。

2.2 表面織構(gòu)與軟涂層的應(yīng)用

軟涂層主要為具有低摩擦系數(shù)和低剪切強(qiáng)度的固體潤滑材料，如MoS2、WS2、BN 和石墨等。通過在零構(gòu)件表面涂覆軟涂層材料，可以有效地緩和摩擦狀態(tài)，降低摩擦系數(shù)，減少黏結(jié)，提高零構(gòu)件的使用壽命。表面微織構(gòu)與軟涂層的協(xié)同作用能夠進(jìn)一步增大軟涂層與基體表面的附著面積，增強(qiáng)基體對涂層的機(jī)械嚙合力。本課題組采用激光織構(gòu)化技術(shù)在刀具前刀面加工了納米尺度的織構(gòu)，然后在刀具表面沉積了WS2軟涂層，如圖11所示，利用該納織構(gòu)化軟涂層刀具開展了干車削試驗，發(fā)現(xiàn)基體表面織構(gòu)化預(yù)處理能夠顯著降低軟涂層刀–屑接觸界面的摩擦系數(shù)，并減輕刀具黏結(jié)及磨損[48]。隨后還在Al2O3/TiC 陶瓷刀具表面加工了不同幾何特征的納織構(gòu)，并涂覆了WS2潤滑軟涂層，對45#淬火鋼干切削的試驗結(jié)果表明，納米織構(gòu)能夠很好地吸附表面的WS2潤滑涂層，減緩刀具表面磨損，延長刀具使用壽命，并且切削過程振動更小，已加工表面質(zhì)量更好[49]。

圖11 沉積WS2 涂層前后織構(gòu)化硬質(zhì)合金刀具前刀面的SEM 形貌[48]Fig.11 SEM morphologies of rake face for textured cemented carbide tools before and after deposition of WS2 coating[48]

此外，織構(gòu)化與軟涂層的協(xié)同作用在航空航天、汽車工程等領(lǐng)域也有所涉及，楊洋等[50]針對航天器滑動電接觸部件特殊的真空載流服役要求，研究了條狀和網(wǎng)狀織構(gòu)以及各自不同織構(gòu)密度條件下噴涂NbSe2涂層的真空載流摩擦學(xué)性能，結(jié)果表明，與現(xiàn)役的金電鍍層相比，優(yōu)化后的織構(gòu)表面NbSe2涂層在真空載流摩擦條件下展現(xiàn)出更加優(yōu)異的摩擦學(xué)和電接觸性能，摩擦系數(shù)由0.25減小至0.05，且電噪音波動明顯改善，由0.05V 降低至0.02V。

3 基體表面織構(gòu)化對涂層性能的影響機(jī)理研究

基體表面織構(gòu)化改善涂層綜合性能的作用機(jī)理不僅涉及涂層的表面性能，還包含對膜–基界面效應(yīng)的影響，主要體現(xiàn)在：產(chǎn)生高柔性基體表面微結(jié)構(gòu)，改善基體表面潤濕性和表面能，增加膜–基界面接觸面積，提升界面機(jī)械鎖合程度，誘導(dǎo)涂層應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變等。

3.1 織構(gòu)化對涂層表面性能的影響機(jī)理

通常，涂層系統(tǒng)的性能主要由其表面形貌所決定。當(dāng)涂層的厚度小于基體表面的微織構(gòu)深度時，基體表面的微織構(gòu)未被涂層完全覆蓋，由基體表面織構(gòu)引起的表面粗糙度變化勢必會對涂層系統(tǒng)的表面性能產(chǎn)生顯著影響；而當(dāng)涂層的厚度大于基體表面的微織構(gòu)深度時，基體表面的微織構(gòu)能在最表層涂層磨損掉后參與到界面摩擦運動中，從而進(jìn)一步延長涂層的服役壽命?；w織構(gòu)化對涂層表面性能的影響在不同應(yīng)用領(lǐng)域中表現(xiàn)出不同的改善方式和增益效果。

在摩擦磨損領(lǐng)域，織構(gòu)化涂層表面的作用機(jī)理主要與摩擦潤滑狀態(tài)有關(guān)。目前主流觀點所認(rèn)同的改善機(jī)理主要分為3 類：干摩擦工況下的“儲存磨屑理論”、流體潤滑工況下的“流體動壓效應(yīng)理論”以及邊界潤滑工況下的“二次潤滑效應(yīng)”，具體表現(xiàn)為基體表面的微織構(gòu)能夠減少涂層摩擦面積、捕捉儲存磨屑、儲存潤滑劑、放大潤滑效果等。本課題組利用激光技術(shù)在硬質(zhì)合金刀具表面加工了凹坑微織構(gòu)，隨后在織構(gòu)化刀具表面沉積了20μm 厚的WS2涂層，結(jié)果表明，當(dāng)最表層的WS2涂層被磨損后，儲存在凹坑中的WS2顆粒可以繼續(xù)為摩擦界面提供供應(yīng)，如圖12所示[51]。

圖12 凹坑織構(gòu)形貌及沉積WS2 涂層后的微織構(gòu)的存儲作用[51]Fig.12 Morphologies of pits and storage behavior of micro-textures after depositing WS2 coating[51]

此外，微織構(gòu)還能捕捉和存儲磨屑，防止碎屑顆粒在摩擦界面的聚集，從而減緩了磨粒磨損和黏附磨損，提升了涂層表面的摩擦學(xué)性能。Ahmed 等[52]發(fā)現(xiàn)不論在低溫或高溫磨損下，微織構(gòu)均能夠提高a–C：H DLC 涂層的耐磨性，這得益于微織構(gòu)的存儲作用，織構(gòu)化預(yù)處理后的a–C：H DLC 涂層可用作汽車凸輪/挺桿系統(tǒng)的耐磨涂層。

在織構(gòu)化涂層刀具領(lǐng)域，涂層刀具表面未能被完全覆蓋的微織構(gòu)能夠減小刀–屑界面的接觸長度，從而顯著改善涂層刀具在切削過程中的接觸特性和摩擦狀態(tài)。在液體潤滑切削條件下，涂層刀具表面的微織構(gòu)可以促進(jìn)切削液的滲入，當(dāng)切削液滲透或擴(kuò)散進(jìn)入到刀具–切屑–工件的相互接觸界面時，會形成一層吸附潤滑膜，將刀–屑接觸面處的摩擦狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫吔鐫櫥瑺顟B(tài)，從而降低涂層刀具的摩擦和磨損；而在干切削狀態(tài)下，織構(gòu)化涂層刀具的表面微織構(gòu)則具有捕捉切削碎屑的作用，微織構(gòu)可以阻斷磨粒在刀具表面的連續(xù)滑動，從而將連續(xù)磨損轉(zhuǎn)化為分散的局部磨損，Misgra 等[53]證實了基體織構(gòu)化和涂層刀具的結(jié)合能夠有效降低切削力和后刀面磨損。符永宏[54]和李玉弟[55]等制備出了激光織構(gòu)化TiAlN 涂層刀具，并對刀具的系列性能展開了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，織構(gòu)與涂層的協(xié)同作用提高了刀具的切削性能，在相同的切削參數(shù)下，織構(gòu)化涂層刀具的切削力、切削溫度以及切屑卷曲性能都優(yōu)于未織構(gòu)化涂層刀具，主要原因為微織構(gòu)能夠降低單位切削層的剪切應(yīng)力和摩擦應(yīng)力，同時實際刀–屑接觸長度的縮短能夠減小切屑變形量，而接觸面積的減小使產(chǎn)生的摩擦熱量也隨之減少。

此外，織構(gòu)化的基體表面還會對涂層的沉積過程產(chǎn)生影響，包括原子生長過程、沉積速率、涂層結(jié)構(gòu)等，進(jìn)而影響涂層的表面性能。如圖13所示，在拋光基體上沉積的TiAlN 涂層表現(xiàn)出典型的柱狀結(jié)構(gòu)，而當(dāng)涂層沉積在離子束刻蝕輔助激光織構(gòu)化基體上時，由于毛細(xì)凝聚吸附的產(chǎn)生，入射原子的吸附能力顯著增強(qiáng)，促進(jìn)了涂層成核，使得涂層呈現(xiàn)出片狀結(jié)構(gòu)。劃痕試驗和摩擦試驗結(jié)果表明，織構(gòu)化涂層試樣表現(xiàn)出更高的膜–基結(jié)合力和更長的磨損壽命[56]。由此可見，織構(gòu)化基體表面對涂層的黏附作用也會影響涂層的表面性能，當(dāng)膜–基間的結(jié)合強(qiáng)度增大時，涂層從基體剝離所需要的能量就會增大，從而增強(qiáng)了涂層抵抗摩擦磨損的能力，延長了涂層的磨損壽命。

圖13 TiAlN 涂層在不同基體上的沉積機(jī)制模型示意圖[56]Fig.13 Deposition mechanism model of TiAlN coatings on different substrates[56]

3.2 織構(gòu)化對涂層界面性能的影響機(jī)理

由于涂層與基體之間存在物理力學(xué)性能上的錯配，使得涂層與基體結(jié)合界面處存在明顯的性能過渡層。因此，膜–基結(jié)合處的界面性能將直接影響涂層的力學(xué)行為和服役效果?；w表面織構(gòu)化對涂層界面性能的影響主要包括界面結(jié)合形貌、涂層系統(tǒng)應(yīng)力狀態(tài)、表面潤濕性和表面能、界面接觸比表面積等方面。

3.2.1 界面結(jié)合形貌

基體表面織構(gòu)化能夠增大膜–基界面接觸面積，使涂層原子具有更大的遷移率，還可以形成機(jī)械嵌合界面。Zhang 等[57]研究了激光微納復(fù)合織構(gòu)對TiAlN 涂層附著力的影響，如圖14所示，可以發(fā)現(xiàn)未織構(gòu)化涂層界面處存在微裂紋，而織構(gòu)化涂層的結(jié)合界面結(jié)構(gòu)緊湊，形成了機(jī)械嚙合結(jié)構(gòu)，增加了裂紋擴(kuò)展所需的能量，提高了膜–基界面結(jié)合強(qiáng)度。王雷[58]研究了熱噴涂涂層在不同類型織構(gòu)化基體表面的涂層界面結(jié)合情況（圖15），發(fā)現(xiàn)拉伸變形測試后，圖15（e）和（f）中平坦區(qū)域的界面處僅發(fā)生了輕微界面脫黏，而圖15（g）和（h）中凹陷區(qū)域與平坦區(qū)域的邊界處均出現(xiàn)了大量涂層裂紋，且涂層的脫層現(xiàn)象更明顯，這主要是由于織構(gòu)表面涂層鋪展形態(tài)的差異導(dǎo)致的，填充在微織構(gòu)內(nèi)的涂層與基體在結(jié)合界面處相互嵌合，形成了良好的機(jī)械嚙合界面，增大涂層脫黏所需的切應(yīng)力值，提高了界面結(jié)合強(qiáng)度（圖15（a）和（b））。值得注意的是，并非所有的織構(gòu)化表面都能對涂層的界面性能起到提升作用。Xu 等[59]報道了激光織構(gòu)內(nèi)部的不規(guī)則突起和織構(gòu)邊緣會對涂層的沉積質(zhì)量產(chǎn)生消極影響。Zheng 等[60]發(fā)現(xiàn)合適的織構(gòu)表面能使鎳基涂層的結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到化學(xué)粗化涂層的兩倍以上，但過大的凹坑深度會使得涂層無法填滿而導(dǎo)致結(jié)合強(qiáng)度下降。

圖14 TiAlN 涂層在拋光基體和納織構(gòu)化基體上的界面結(jié)合形貌[57]Fig.14 Interfacial morphologies of TiAlN coatings deposited on polished and nano-textured substrates[57]

圖15 不同類型仿生織構(gòu)涂層的截面失效形貌[58]Fig.15 Failure morphologies of different bionic textured coatings[58]

3.2.2 涂層應(yīng)力狀態(tài)與物相變化

通常，涂層沉積前后的溫度變化以及材料間不同的熱膨脹系數(shù)會造成涂層與基體之間具有不同的熱收縮傾向，造成結(jié)合界面附近產(chǎn)生剪應(yīng)力，從而萌生微裂紋。在外界驅(qū)動力的作用下，裂紋會在界面處發(fā)生偏移，并沿著界面方向橫向擴(kuò)展，這種橫向裂紋是造成涂層剝落的重要因素。本課題組通過研究發(fā)現(xiàn)，涂層–基體結(jié)合界面處的微結(jié)構(gòu)能夠在一定程度上減小涂層內(nèi)部殘余應(yīng)力，有效阻礙涂層的斷裂趨勢，從而提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。此外，還深入研究了激光織構(gòu)化導(dǎo)致基體表面產(chǎn)生壓應(yīng)力場的機(jī)制，并指出激光織構(gòu)化基體表面的壓應(yīng)力場會使涂層的裂紋尖端臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子增大，從而增強(qiáng)涂層的斷裂韌性。

此外，表面織構(gòu)化誘導(dǎo)基體物相結(jié)構(gòu)的變化也會影響涂層的結(jié)合性能。Guo 等[56]發(fā)現(xiàn)在離子束刻蝕輔助激光制備織構(gòu)的過程中，激光輻照和離子束刻蝕后會使基體的低附著力η 相減弱，從而增加膜–基界面間的化學(xué)鍵合，提升涂層界面結(jié)合力。張克棟[61]則發(fā)現(xiàn)WC/Co 硬質(zhì)合金基體表面通過激光織構(gòu)化處理后形成了與TiAlN 涂層中TiAlN 相衍射角位置相近的新物相WC1–x，從而縮小了涂層材料與基體材料之間的物理差異性，增大了膜–基界面的結(jié)合力。

3.2.3 表面潤濕性和表面能

涂層的附著性與基體表面的濕潤性和表面能也有密切關(guān)系，通常，基體表面的濕潤性能越好，其附著能力也就越強(qiáng)。圖16為拋光基體與織構(gòu)化基體表面在潤滑油液滴下測定的接觸角數(shù)值，可以發(fā)現(xiàn)織構(gòu)化基體表面的接觸角均小于拋光基體表面的接觸角，表現(xiàn)出更好的親油性，增強(qiáng)了基體表面的潤濕性[62]。Li 等[63]在等離子水和乙二醇液滴的測定下也得到了相同的結(jié)論，并將其歸因于織構(gòu)邊緣的釘扎效應(yīng)，該效應(yīng)限制了液滴的擴(kuò)散，基體表面潤濕性的增強(qiáng)為涂層的沉積提供了更加優(yōu)越的附著表面。此外，Tillmann 等[64]通過優(yōu)化基底表面微納結(jié)構(gòu)圖案的形貌和參數(shù)，獲得了較高的比表面積和表面自由能，促進(jìn)了涂層沉積。譚娜[65]研究了熱噴涂Ni60 涂層熔滴在鋼基體表面不同微凹坑織構(gòu)內(nèi)的鋪展?jié)櫇裥袨椋l(fā)現(xiàn)織構(gòu)直徑對熱噴涂顆粒在微凹坑織構(gòu)內(nèi)部的潤濕行為具有較大影響，并建立了織構(gòu)化表面粗糙度參數(shù)與噴涂液滴高溫潤濕性的聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)隨著振幅參數(shù)Ssk及空間參數(shù)Str的增加，高溫接觸角隨之增大。

圖16 拋光基體和織構(gòu)化基體表面的接觸角變化[62]Fig.16 Contact angle variations of the polished substrates and the textured substrates[62]

此外，表面織構(gòu)化預(yù)處理誘導(dǎo)的膜–基界面元素擴(kuò)散、基體表面活化狀態(tài)改變等也會影響涂層與基體之間的界面結(jié)合行為，從而實現(xiàn)涂層結(jié)合強(qiáng)度的提升。Reza 等[66]發(fā)現(xiàn)基體表面織構(gòu)化預(yù)處理促進(jìn)了NiCrAlY涂層與基體材料之間的原子擴(kuò)散，涂層界面的斷裂韌性從3.46MPa·m1/2增加到6.96MPa·m1/2。

4 總結(jié)及展望

表面涂層技術(shù)在實現(xiàn)高端裝備部件表面耐磨、防腐、抗蝕等方面具有良好的發(fā)展前景。但就涂層的可靠性而言，傳統(tǒng)涂層構(gòu)件仍存在涂層與基體之間的界面結(jié)合差和涂層表面摩擦系數(shù)高等問題，限制了涂層的應(yīng)用?；w表面織構(gòu)化預(yù)處理是改善涂層性能的重要研究方向，國內(nèi)外眾多學(xué)者致力于表面織構(gòu)化裝備研究、工藝設(shè)計以及織構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)調(diào)控等，通過對基體表面狀態(tài)的合理調(diào)控來提升涂層表面和界面的性能，并且基體表面織構(gòu)化預(yù)處理與涂層技術(shù)協(xié)同作用的改性有效性和改性機(jī)制也得到了初步證實。然而隨著對現(xiàn)代機(jī)械高端裝備構(gòu)件要求的不斷提高，從目前的發(fā)展趨勢來看，織構(gòu)化表面涂層構(gòu)件今后可著重從以下方面開展更為深入的研究。

（1）現(xiàn)有的基體表面織構(gòu)化制備方法仍存在加工精度低、質(zhì)量差等問題，從而影響涂層的沉積效果，因此，需要進(jìn)一步發(fā)展低成本、高效率、高精度的表面織構(gòu)化制造方法，提出新的制造理論和工藝；

（2）基體表面織構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)的選擇目前并未形成統(tǒng)一的體系，且其與涂層協(xié)同作用時勢必存在一個最優(yōu)范圍，因此，建立織構(gòu)參數(shù)–涂層性能之間的約束關(guān)系將是一個重要的研究方向；

（3）基體表面織構(gòu)化預(yù)處理對涂層–基體界面性能的宏觀調(diào)控機(jī)制已經(jīng)得到了初步研究，但隨著微觀理論的發(fā)展，基體表面織構(gòu)化過程中基體表層的微觀演變對涂層–基體界面間的影響仍有待探索；

（4）隨著織構(gòu)化涂層裝備構(gòu)件服役環(huán)境的復(fù)雜化和極端化發(fā)展，未來需要重點關(guān)注織構(gòu)化涂層構(gòu)件在不同苛刻服役環(huán)境下的失效形式及機(jī)制，建立面向不同服役性能下的織構(gòu)化涂層失效體系。