通过物理气相沉积（PVD）方法制备的CrAlN耐磨和耐热涂层在工业中得到广泛应用，因为它们具有高硬度（25–35 GPa）、抗氧化性（高达800–1000°C）以及低摩擦系数（在干滑动条件下为0.4–0.6）。这些性能源于Al替代CrN晶格形成的固溶强化效应，以及在高温下形成的稳定氧化层（Al?O?/Cr?O?）。CrAlN涂层常用于切削工具，以延长其在高温加工条件下的使用寿命，也用于承受强烈机械和热应力的成型和锻造工具。此外，它们还作为汽车和航空航天行业中模具和冲模的耐磨表面保护层。
为了进一步提高包括CrAlN在内的氮化物涂层的耐磨性和耐热性，提出了采用多层涂层结构[1]。在多层薄膜中，两种不同材料沿沉积方向交替堆叠，形成构成基本单元的相邻层，并保持周期性图案。这个重复单元的厚度称为多层薄膜的调制周期。通常，纳米多层薄膜的调制周期不超过100纳米[2]，但也可以达到几微米[3]。根据层组成，多层薄膜可分为金属/金属、金属/陶瓷或陶瓷/陶瓷系统。
界面（层边界）在多层涂层中起着关键作用，具有多种功能。首先，它们阻碍位错运动，从而增强涂层强度[4]。其次，它们防止裂纹穿透并抑制氧气从涂层表面扩散到基底，从而提高耐腐蚀性和高温抗氧化性[2,5]。因此，与单层结构相比，多层涂层表现出更好的机械性能和摩擦学性能[6,7]。像Ti/TiN和Cr/CrN这样的陶瓷-金属多层涂层通常比单体材料具有高20–50%的硬度，并由于层边界处的能量耗散而具有更好的韧性。然而，在循环摩擦载荷下，如果结合质量或调制周期不佳，界面可能成为应力集中点，从而降低耐磨性[8]。
多层薄膜可以使用多种PVD技术制备，如磁控溅射和电弧离子镀膜。最近，高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）被提出作为氮化物涂层的替代方法。与传统直流磁控溅射相比，HiPIMS能够使溅射材料实现更高的电离程度，从而形成更致密的涂层并降低表面粗糙度。这些涂层由于等离子体流中不含液滴成分，因此具有更好的耐腐蚀性和高温抗氧化性[9]。
本研究提出交替沉积硬质CrAlN层（弹性模量在350至420 GPa之间[10]和金属Cr层（弹性模量在86至250 GPa之间[11]）。不同弹性模量的交替层可以提高涂层的抗裂性和冲击韧性，因为较软的层通过吸收冲击能量来阻止裂纹扩展。这种多层结构还能补偿沉积过程中产生的内部应力，提高耐磨性，因为硬质层抵抗磨料磨损，而较软层适应载荷变化，并通过减少加热和冷却过程中各层不同的热膨胀性能来提高热循环稳定性。
与传统的陶瓷-金属涂层（如Ti/TiN[12,13]、W/WN[14]和Ti/TiB?[15]）相比，Cr/CrAlN系统的研究相对较少。多层Cr/CrAlN涂层的制备仅在[16]中有描述，其中使用多电弧离子技术制备了这些涂层。研究表明，多层Cr/CrAlN涂层比单层涂层具有更好的承载能力和耐磨性。这种改进归因于多层结构有效释放了内部应力并抑制了缺陷的扩展。
本文采用类似的方法来研究单层CrAlN和金属-陶瓷Cr/CrAlN多层涂层的磨损行为，这些涂层具有不同的结构。涂层采用双脉冲高功率脉冲磁控溅射方法制备。双磁控管配置消除了在沉积非导电涂层时阳极消失的问题。此外，双磁控管系统中的封闭磁场配置增加了基底上的离子电流密度，从而有利于提高涂层的附着力、密度和其他性能[17]。根据[18,19]，短放电脉冲可以进一步提高溅射材料的电离程度和离子能量。另外，使用单元素Cr和Al靶材并独立控制每个磁控管的功率，可以实现涂层组成的广泛变化。
本研究首次使用双脉冲HiPIMS方法制备了Cr/CrAlN金属-陶瓷多层涂层，并系统地改变了双层数量（20层 vs 40层）和调制周期。与之前的电弧沉积Cr/CrAlN[16]不同，我们的HiPIMS方法消除了大颗粒，并通过双磁控管功率调制实现了Al/Cr比例的独立控制。
本研究的目的是比较各种设计涂层在承受机械载荷和摩擦学测试中的性能，并确定金属层和陶瓷层的最佳厚度，以提高耐用性和摩擦行为。
