钛合金，特别是Ti-6Al-4V（TC4）合金，由于其低密度、高比强度、优异的耐腐蚀性和生物相容性，在航空航天、海洋工程和生物医学领域得到了广泛应用[[1], [2], [3], [4]]。然而，它们相对较低的固有硬度往往导致在使用过程中过早磨损和断裂，从而限制了其使用寿命[5,6]。
在工程应用中，TC4工件的失效（如疲劳断裂和磨损）通常起源于表面。这促使人们开展了大量关于提高表面硬度和耐磨性的研究[[7], [8], [9]]。目前，钛合金的表面改性技术主要集中在三个方面：(i) 表面纳米结晶[10,11]，(ii) 硬质涂层的制备[12,13]，以及(iii) 多层复合结构的设计[[14], [15], [16]]。
表面纳米结晶技术，包括喷丸处理[10]、超声表面滚压[17]和超音速粒子轰击[18]，通过高能量机械冲击诱导严重的塑性变形来实现纳米结晶并提高硬度。通过气相沉积制备的氮化物和碳化物涂层（例如CrN、TiC、TiAlN）具有出色的硬度（20–35 GPa）和摩擦学性能[12,19]。然而，涂层厚度有限（<10微米）和界面粘附力较弱，增加了剥落的风险[13,20]。
相比之下，热化学表面处理提供了一种更理想的强化策略。通过将间隙原子（C、N、B）扩散到钛基底中，可以实现高表面硬度和良好的涂层-基底粘附力，形成由Ti-X（X = C、N、B）化合物和固溶体组成的分层硬化结构[8,11,21]。此外，复合表面改性技术，包括喷丸处理与氮化结合[22], [23], [24]、磁控溅射与氮化或氧化结合[11,[25], [26], [27]、多元素共扩散[28], [29], [30]，有助于设计具有综合性能提升的多层结构。研究表明，喷丸处理后的表面纳米结晶可以显著加速后续的氮化过程，从而形成更厚且具有高硬度和耐磨性的氮化层[22]。刘等人[26]在TC4表面设计了一种具有N/金属元素梯度分布的多层结构，通过结合Ti-Cu-Al薄膜和离子氮化实现，其表面硬度是基底的1.7倍。
尽管如此，硬质涂层与钛合金基底之间的显著硬度差异，以及由于化学热处理形成的陶瓷相涂层的固有脆性导致的界面粘附力降低，仍然是该领域的主要挑战[16,31,32]。因此，构建具有高硬度、足够厚度和良好粘附力的表面结构对于在涂层-基底界面实现逐渐的硬度过渡至关重要。这种方法有效提高了钛合金的机械性能。
基于此，本研究通过磁控溅射Cr涂层并结合热扩散工艺在TC4合金基底上制备了多组分梯度多层结构。研究了热扩散温度对梯度结构的相组成、厚度、表面硬度和粘附力的影响。该研究阐明了高温下Cr和Ti原子的互扩散过程，以及所得梯度多层结构中各组成层的微观结构演变机制，并建立了它们与硬度和摩擦性能之间的联系。为TC4合金及其他金属材料的表面结构设计提供了新的视角，并深入了解了热扩散驱动的梯度结构的演变机制和性能特点。
