梯度TiAlN/CrN多层涂层协同提升AISI 1045钢耐磨性的机制研究

本文推荐一种通过电弧离子镀技术在AISI 1045钢表面制备梯度TiAlN/CrN多层涂层的创新方法。该涂层通过CrN层（塑性缓冲）、TiAlN/CrN多层结构（硬度梯度过渡）和TiAlN表层（表面硬化）的三重协同效应，实现38.72 GPa高硬度和-448.5 MPa低残余应力，显著提升重载工况下的耐磨性（摩擦系数0.72），为解决超硬涂层与软基体界面相容性问题提供新思路。

　　

Highlight
车辆底盘AISI 1045钢旋转法兰在高速重载工况下易发生摩擦失效，导致密封性能退化。本研究通过电弧离子镀技术在钢基体上沉积多层TiAlN/CrN梯度涂层，其创新性结构设计包含：1）贴近基体的CrN层发挥塑性缓冲作用；2）中间TiAlN/CrN多层结构形成硬度梯度；3）表层TiAlN提供超高硬度（38.72 GPa）。该涂层展现出374.83 GPa弹性模量和-448.5 MPa残余应力的优异组合，摩擦系数低至0.72，磨损深度始终控制在TiAlN表层厚度以内，以磨粒磨损为主要机制。

Microstructural analysis
XRD分析显示（图2a），TiAlN/CrN梯度涂层与单层TiAlN涂层均呈现B1-NaCl型面心立方（FCC）结构，在(111)、(200)、(220)晶面出现明确衍射峰。梯度涂层最外层TiAlN未出现杂相峰，表明其保持单相晶体结构。CrN/基体界面的非晶区有效缓解了晶格失配导致的应力集中，而CrN与TiAlN层间的共格界面则确保强结合力。

Conclusion
通过电弧离子镀技术构建的TiAlN/CrN梯度涂层，凭借CrN塑性缓冲、多层结构应力分散和TiAlN表面硬化的协同效应，成功解决超硬涂层与软基体（28 HRC）的硬度失配问题。这种"刚柔并济"的结构设计为重载工况下金属材料耐磨性提升提供了表面工程新策略。