通過物理氣相沉積（PVD）方法制備的CrAlN耐磨和耐熱涂層在工業中得到廣泛應用，因為它們具有高硬度（25–35 GPa）、抗氧化性（高達800–1000°C）以及低摩擦系數（在干滑動條件下為0.4–0.6）。這些性能源于Al替代CrN晶格形成的固溶強化效應，以及在高溫下形成的穩定氧化層（Al?O?/Cr?O?）。CrAlN涂層常用于切削工具，以延長其在高溫加工條件下的使用壽命，也用于承受強烈機械和熱應力的成型和鍛造工具。此外，它們還作為汽車和航空航天行業中模具和沖模的耐磨表面保護層。
為了進一步提高包括CrAlN在內的氮化物涂層的耐磨性和耐熱性，提出了采用多層涂層結構[1]。在多層薄膜中，兩種不同材料沿沉積方向交替堆疊，形成構成基本單元的相鄰層，并保持周期性圖案。這個重復單元的厚度稱為多層薄膜的調制周期。通常，納米多層薄膜的調制周期不超過100納米[2]，但也可以達到幾微米[3]。根據層組成，多層薄膜可分為金屬/金屬、金屬/陶瓷或陶瓷/陶瓷系統。
界面（層邊界）在多層涂層中起著關鍵作用，具有多種功能。首先，它們阻礙位錯運動，從而增強涂層強度[4]。其次，它們防止裂紋穿透并抑制氧氣從涂層表面擴散到基底，從而提高耐腐蝕性和高溫抗氧化性[2,5]。因此，與單層結構相比，多層涂層表現出更好的機械性能和摩擦學性能[6,7]。像Ti/TiN和Cr/CrN這樣的陶瓷-金屬多層涂層通常比單體材料具有高20–50%的硬度，并由于層邊界處的能量耗散而具有更好的韌性。然而，在循環摩擦載荷下，如果結合質量或調制周期不佳，界面可能成為應力集中點，從而降低耐磨性[8]。
多層薄膜可以使用多種PVD技術制備，如磁控濺射和電弧離子鍍膜。最近，高功率脈沖磁控濺射（HiPIMS）被提出作為氮化物涂層的替代方法。與傳統直流磁控濺射相比，HiPIMS能夠使濺射材料實現更高的電離程度，從而形成更致密的涂層并降低表面粗糙度。這些涂層由于等離子體流中不含液滴成分，因此具有更好的耐腐蝕性和高溫抗氧化性[9]。
本研究提出交替沉積硬質CrAlN層（彈性模量在350至420 GPa之間[10]和金屬Cr層（彈性模量在86至250 GPa之間[11]）。不同彈性模量的交替層可以提高涂層的抗裂性和沖擊韌性，因為較軟的層通過吸收沖擊能量來阻止裂紋擴展。這種多層結構還能補償沉積過程中產生的內部應力，提高耐磨性，因為硬質層抵抗磨料磨損，而較軟層適應載荷變化，并通過減少加熱和冷卻過程中各層不同的熱膨脹性能來提高熱循環穩定性。
與傳統的陶瓷-金屬涂層（如Ti/TiN[12,13]、W/WN[14]和Ti/TiB?[15]）相比，Cr/CrAlN系統的研究相對較少。多層Cr/CrAlN涂層的制備僅在[16]中有描述，其中使用多電弧離子技術制備了這些涂層。研究表明，多層Cr/CrAlN涂層比單層涂層具有更好的承載能力和耐磨性。這種改進歸因于多層結構有效釋放了內部應力并抑制了缺陷的擴展。
本文采用類似的方法來研究單層CrAlN和金屬-陶瓷Cr/CrAlN多層涂層的磨損行為，這些涂層具有不同的結構。涂層采用雙脈沖高功率脈沖磁控濺射方法制備。雙磁控管配置消除了在沉積非導電涂層時陽極消失的問題。此外，雙磁控管系統中的封閉磁場配置增加了基底上的離子電流密度，從而有利于提高涂層的附著力、密度和其他性能[17]。根據[18,19]，短放電脈沖可以進一步提高濺射材料的電離程度和離子能量。另外，使用單元素Cr和Al靶材并獨立控制每個磁控管的功率，可以實現涂層組成的廣泛變化。
本研究首次使用雙脈沖HiPIMS方法制備了Cr/CrAlN金屬-陶瓷多層涂層，并系統地改變了雙層數量（20層 vs 40層）和調制周期。與之前的電弧沉積Cr/CrAlN[16]不同，我們的HiPIMS方法消除了大顆粒，并通過雙磁控管功率調制實現了Al/Cr比例的獨立控制。
本研究的目的是比較各種設計涂層在承受機械載荷和摩擦學測試中的性能，并確定金屬層和陶瓷層的最佳厚度，以提高耐用性和摩擦行為。
