飞秒激光光栅制备技术及其在耐磨涂层残余应力测试中的应用

The wear-resistant coatings (WRC) are widely used in aeronautics, astronautics, military, automobile, and machinery for the purpose of increasing the wear-resistance of substrate. The premature fracture and spallation during service are the main WRC failures. This project aims to develop the methods and techniques of experimental mechanics and their applications to the failure behaviors of WRC. Research priorities include: 1)grating fabrication method and technology with femtosecond laser, the grating fabrication systems, and fabricating different gratings on the surfaces and interfaces of WRC specimen.2)the structural characterization and optimization of gratings based on the scan electron microscope (SEM) moire method for the purpose of accuracy improvement.3)proposing the measurement method of residual stress in WRC and evaluating its reliability with combination of SEM moire method and stress relaxation by femtosecond laser. The project will not only propose novel experimental methods and techniques, and establish new grating fabrication system, but also contribute to failure mechanism and processing optimization of WRC, improve the performance of materials and structures in WRC, and lay a solid foundation for its wide applications.

耐磨涂层广泛应用于航天航空、军事、汽车和机械等领域，主要作用是增强基体抵抗磨损的能力。在磨损使用过程中，涂层过早开裂、甚至剥落等失效行为是结构失效的主要原因。本项目以涂层失效机理的关键基础科学问题为牵引，发展实验力学方法和技术。研究内容主要包括：1）研究飞秒激光制作光栅的方法和技术，并研制制栅系统，在耐磨涂层试件表面和界面制作不同频率的光栅；2）研究基于扫描电镜（SEM）云纹法的光栅结构表征和优化方法，提高测量精度； 3）研究SEM云纹法和飞秒激光应力释放方法，建立耐磨涂层残余应力测试方法，并对其可靠性作评估。本项目的研究不仅可以提供新的实验方法和技术，形成新的制栅系统，同时也有助于耐磨涂层失效机理和工艺优化研究，为提高耐磨涂层材料和结构性能、促进其广泛应用奠定基础。

随着涂层材料与结构的广泛应用，涂层残余应力和界面强度等力学性能的研究引起许多学者的高度关注，基于光栅、散斑等变形载体的力学测试方法和技术为相关研究提供了重要途径。.本项目基于纳秒/飞秒激光系统，提出了多尺度光栅制备的方法和技术，实现了光栅在微结构或器件表面的直接制备，具有操作简单、无需模板、环境要求低等优点。基于所制备的光栅变形载体，发展了几何位相法和扫描电镜云纹法，实现了多尺度光栅结构的表征、优化及变形测试。研制了喷涂涂层各向异性力学性能参数的超声回波法测试系统，建立了一种新型的涂层喷涂应力分析有限元模型，揭示了喷涂涂层残余应力的产生机理。此外，发展了一种微尺度散斑制备方法，建立了光学显微镜下数字图像相关测量系统，实现了微区变形场的精确测量。结合三点弯曲加载方法，获得了界面裂纹长度和裂纹前端变形场等重要参数，进而评估涂层界面断裂强度，为涂层失效分析提供了一种新方法。.上述研究结果表明，所发展的基于光栅和散斑的实验测试方法和技术，为涂层力学性能评估、失效机理分析等奠定了基础，也为提高涂层材料和结构性能、促进其广泛应用提供了实验依据，具有重要的科学意义。