十字轴是用来连接火箭箭体与发动机的传力组件,可以保证火箭在空中顺利地进行姿态控制（俯仰,偏航等）,所以其对火箭的正常运行有重要影响。但十字轴在高速重载的服役环境下进行工作,有着轴向载荷大、径向载荷变向的受力特点,这些严苛条件对十字轴的性能提出了很高的要求。基于这种背景,本文采用离子注入技术在300M钢（十字轴用材）表面制备改性层,并设计三种注入工艺:注N、注Ti和注N+Ti,每种注入工艺下设置三种不同的注入剂量,以分析不同注入工艺对基体的强化程度,以及同一种注入工艺下不同注入剂量对基体性能的影响。通过SRIM2008对N、Ti离子注入300M钢的过程进行了模拟,确定了每种注入工艺下的注入剂量和注入能量,两离子注入的最大深度分别为190 nm和50 nm,而且在基体内部均呈现一种高斯分布,并会造成大量的晶格损伤;利用OM、SEM、XRD、EDS等测试手段对改性层的表面形貌及组织成分进行了分析,结果表明,300M钢基体主要是含（Fe,Ni）相的马氏体组织,注N试样表面有Cr₂N、Fe₃N新相生成,起固溶强化作用,注Ti试样表面生成了Ti O₂,有减磨效果,注N+Ti试样表面不仅存在氮化物和Ti的氧化物,而且形成了第二强化相Ti N;而且离子注入对试样表面的缺陷有修复作用,经离子注入的300M钢表面划痕减少且变浅,尤其以注入N+Ti时更为显著,并且随着注入剂量的增大,效果越明显。利用显微维氏硬度计和纳米压痕仪对基体以及改性层的力学性能进行了测试,测试结果表明,同一种注入工艺下,随着注入剂量的增加,力学性能也逐渐提升,且以双元素注入N+Ti工艺提升最为明显,当N、Ti剂量分别为2×10¹⁷ ions/cm²、1×10¹⁷ ions/cm²时,显微硬度提高了41.2%,纳米硬度和弹性模量相对于基体分别提高了79.26%和34.73%。通过往复式摩擦磨损实验发现,改性层的保持时间随着注入剂量的增大而延长,而且注入试样均比基体的磨损量小,且在同一种注入工艺下,注入剂量越大,磨损量越小,在双元素N+Ti注入工艺下,当N注入剂量为2×10¹⁷ ions/cm²,Ti注入剂量为1×10¹⁷ ions/cm²时效果最明显,磨损量比基体降低了87%。;基体初始以黏着磨损为主,后逐渐过渡为以3体磨粒磨损为主,注N试样低摩擦系数阶段为轻微磨粒磨损和黏着磨损,改性层破坏后磨损加剧,摩擦系数上升,注Ti试样与注N试样的磨损机理类似,但表面的氧化钛层,使得改性层保持时间比注N试样长,注N+Ti试样同时具备了注N试样的高硬度和注Ti试样的氧化钛润滑层,其耐磨性能最好。