铝合金是制造汽车发动机缸体、活塞以及轮毂、船舶螺旋桨和飞机发动机压缩机叶片等结构件的常用材料，在其表面涂覆的微弧氧化涂层是铝合金结构件的耐磨、耐腐蚀和耐高温“金钟罩”。然而，在微弧氧化涂层生长过程中，不可避免地存在微观缺陷和残余应力，导致结构件过早发生疲劳失效，限制了微弧氧化技术在汽车、船舶和航空等领域的应用，如图1所示。当前，微观缺陷和残余应力对微弧氧化涂层铝合金疲劳性能的影响机制尚不清晰，这对基于微观缺陷和残余应力的协同设计，优化微弧氧化涂层铝合金的疲劳性能提出了挑战。

图1 本文研究的主要内容

针对上述问题，本文分析了微弧氧化涂层中影响铝合金基体疲劳性能的关键因素，并从涂层微观结构表征和应力仿真两个方面，阐明了微观缺陷与残余应力在疲劳失效中的耦合作用机制，建立了微观缺陷和残余应力对基体疲劳性能的损伤机制模型，提出了微弧氧化涂层铝合金的抗疲劳设计方法。主要结论如下：

(1) 残余应力不利于微弧氧化涂层铝合金疲劳寿命的提高。微观缺陷处的应力集中以及涂层与基体的残余拉应力导致疲劳裂纹过早萌生，而涂层的残余压应力和基体的残余拉应力对微弧氧化涂层铝合金疲劳性能的影响存在竞争关系。

(2) 外加载荷和残余应力诱导中间层屈服区比例的变化，是影响疲劳裂纹萌生的关键问题。低应力条件下，基体中存在的残余压应力引起中间层屈服区比例降低，且相应涂层中存在残余拉应力，导致裂纹易在含多微观缺陷的涂层中萌生。

(3) 高应力条件下的残余应力松弛弱化了微观缺陷和残余应力对微弧氧化涂层铝合金疲劳性能的耦合作用，是微观缺陷显著影响铝合金基体高周疲劳寿命，而对低周疲劳寿命影响较小的主要因素。

(4) 疲劳裂纹萌生于涂层与基体间的界面或存在残余拉应力的涂层中会严重损伤基体的疲劳性能。基体预处理、调控微弧氧化工艺参数和涂层后处理，可以抑制裂纹向基体中扩展，提高微弧氧化涂层铝合金的疲劳寿命，如图2所示。

图2 微弧氧化涂层铝合金疲劳性能的优化方法

以上研究成果于2023年7月6日以“A review on the fatigue performance of micro-arc oxidation coated Al alloys with micro-defects and residual stress”为题，发表在J. Mater. Res. Technol., 2023, 25: 4554-4581。第一作者为辽宁工程技术大学戴卫兵副教授，通讯作者为辽宁工程技术大学郭辰光副教授。

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