硬度梯度CrN/TiAlN多层涂层增强AISI 1045钢摩擦学性能的设计与机理研究

为解决AISI 1045钢旋转密封轴因软基体与硬涂层物理性能差异导致的界面结合差、残余应力高及摩擦学性能不足等问题，研究人员通过电弧离子镀技术设计并制备了具有硬度梯度的CrN/TiAlN多层涂层。该涂层由CrN过渡层、CrN/TiAlN交替层和TiAlN表层组成，通过梯度结构显著降低残余应力（-449.6±42.3 MPa），提升结合力（24.59 N）和硬度（39.86 GPa）。模拟车辆行驶10,000 km后，涂层表面无显著磨损，为软基体耐磨涂层设计提供了理论依据和技术参考。

　　

在车辆传动系统中，AISI 1045钢旋转密封轴长期面临橡胶密封圈高速摩擦导致的磨损、沟槽形成及润滑泄漏问题。尽管硬质涂层（如TiAlN、CrN）能提升耐磨性，但软基体与涂层的物理性能差异导致界面结合力弱、残余应力高，限制其应用。针对这一挑战，广东基础与应用基础研究重大项目支持的研究团队创新性地提出硬度梯度多层涂层设计，通过电弧离子镀技术在AISI 1045钢表面制备CrN/TiAlN多层结构，系统探究了过渡层厚度对性能的影响机制。

研究采用X射线衍射（XRD）分析涂层相组成，扫描电镜（SEM）观察截面形貌，纳米压痕仪测试力学性能，并通过模拟车辆行驶试验评估耐磨性。结果表明：涂层呈现B1-NaCl面心立方结构（FCC），CrN过渡层厚度增至3.53 μm时，涂层硬度（39.86 GPa）和结合力（24.59 N）达到最优，残余应力最低（-449.6±42.3 MPa）。交替层结构通过抑制柱状晶生长（Hall-Petch效应）和界面外延生长提升强度，而梯度设计有效缓解了软基体与涂层的性能失配。

结构形成机制
电弧离子镀的原子沉积受动力学与热力学共同调控。多层结构中，CrN/TiAlN交替层通过周期性中断晶粒生长细化组织，而CrN过渡层厚度增加可降低基体对涂层的应力传递，形成连续硬度梯度。

摩擦磨损机制
10,000 km模拟试验显示，未涂层基体磨损深度超70 μm，而CrN/TiAlN涂层表面无显著磨损。TiAlN表层的高硬度和CrN的韧性协同作用，结合低残余应力特性，使涂层在长期摩擦中保持结构完整性。

该研究发表于《Surface and Coatings Technology》，首次明确了软基体AISI 1045钢的CrN过渡层最佳厚度范围，为旋转密封部件耐磨涂层设计提供了可量化的技术方案。其创新性在于通过梯度结构设计兼顾硬度与韧性，突破传统单层涂层的性能瓶颈，对延长车辆传动系统寿命具有重要工程价值。