氧化铝涂层残余应力拉曼光谱测量技术及其应用

氧化铝涂层残余应力拉曼光谱测量技术及其应用氧化铝因其优异的性能被广泛用作高速切削刀具的涂层材料。

由于涂层与基底材料的性能差异,尤其是热膨胀系数的差异,涂层内不可避免地存在影响其服
役性能的残余应力。

微拉曼光谱法是一种有潜力的涂层残余应力测量手段,然而将其应用于氧化铝涂层的残余应力测量,还有一些基础性的问题有待解决。

本文针对氧化铝涂层残余应力拉曼光谱测量理论及其应用开展了研究。

本文首先在氧化铝材料缺少晶格动力学方程的背景下,结合单晶氧化铝主晶轴的压电光谱系数及欧拉旋转矩阵,推导出了任意取向氧化铝涂层的拉曼频移-
应力分量理论关系式。

期间,结合氧化铝的拉曼张量和偏振特性,计算出了不同偏振配置下拉曼振动模的可见性;推导了不同激光入射方向下偏振拉曼强度和晶体欧拉角之间的关系;给出了根据密勒指数确定晶体欧拉角的方法,从而给出了确
定理论关系式中的待定系数的方法。

针对具有特定织构的取向氧化铝涂层材料,本文确定出了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。

分别根据密勒指数与晶体欧拉角的关系、不同激光入射方向下偏振拉曼强度与欧拉角的关系以及CAD几何图解法,计算、测量得到了样品表面和截面的欧拉角,
结合单晶氧化铝不同晶轴对应的压谱系数,给出了（0 1-1 2）、（11-2 0）织构取向氧化铝涂层样品的表面和截面拉曼频移-平面应力分量定量关系式。

基于所确定的氧化铝涂层表面与截面的拉曼频移-应力分量定量关系式,本
文进一步开展了氧化铝涂层表面残余应力分布以及残余应力沿层深分布的测量
与分析。

测量了不同厚度的氧化铝涂层和不同喷砂工艺的氧化铝涂层表面微区的残余应力分布情况,结果表明,厚涂层样品的残余应力值大于薄涂层样
品,ZrO₂湿喷砂工艺处理的样品的残余应力比于未处理样品均
匀,A1₂O₃湿喷砂工艺处理的样品的残余应力水平低于
未处理样品;通过截面拉曼测量,发现从氧化铝涂层表面向下涂层的残余应力逐
渐增大。

最后,本文计算分析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。