陶瓷材料TiN与金属铝之间的性能悬殊差异(如硬度、弹性模量、热膨胀系数)导致膜/基体系的界面处力学性能很差。为提高TiN/Al的结合强度，常采用Ti和Ni-P中间层来进行改善。本文在国家自然科学基金项目“铝合金表面多层膜结构与力学性能关系研究”(No.50271004)资助下，在纯铝基体材料上直流磁控溅射沉积Ti和TiN膜之前采用离子注氮或注钛预处理，并研究其对薄膜断裂韧度、膜/基结合强度以及摩擦磨损性能的影响。结果表明，与常规Ti中间过渡层方法相比，离子注入改性预处理能更有效地改善TiN/Al膜基体系的力学性能。首先用俄歇电子能谱(AES)，X射线光电子能谱(XPS)，X射线衍射仪(XRD)研究了铝基体注入改性层的组织结构及其对TiN膜结构的影响；并用原子力显微镜观察TiN膜的表面形貌。研究结果表明：铝基体离子注氮、钛后，N、Ti在注入层中呈近似高斯分布，并在注氮层中生成了AlN中间相，而注钛层则生成了Al3Ti中间相；铝基体离子注入处理后，TiN膜的择优取向发生了改变，TiN/Ti/Al和TiN/Al体系主要表现为(111)择优取向，离子注入改性后镀TiN则主要表现为(200)择优取向。TiN/Al，TiN/Ti+-implantedAl以及TiN/N+-implantedAl体系中TiN的晶粒大小分别约为58nm，60nm和80nm，经注钛改性的基体表面对TiN晶粒的大小没有影响，而经注氮后则晶粒尺寸有较大的增加，膜层表面的粗糙度变大。膜基体系的纳米压入实验中发现加载-位移曲线中出现不连续台阶，与之对应，在扫描电镜下观察到压痕周围出现开裂现象。本文以此现象来研究TiN膜基体系的断裂韧度，并建立有限元模型定性分析了体系的应力分布，佐证了实验的结论。在注入剂量为1×1017/cm2、束流密度约为25μA/cm2，加速电压为40kV以下进行离子注氮改性，加速电压(亦即注入能量)越高，加载位移曲线中出现不连续台阶的临界载荷越大；注入剂量为2×1017/cm2、束流密度约为25μA/cm2，加速电压为40kV以下离子注钛也得出同样的结果。经计算得出，TiN/Al，TiN/Ti/Al，TiN/N+-implantedAl(30kV)，TiN/Ti+-implantedAl(40kV)体系中TiN膜的断裂韧度分别为1.45MPam，1.83MPam，2.23MPam和2.41MPam。有限元模型理论分析表明，成分呈近似高斯分布的注入增强层能有效地缓和界面应力集中。 TiN膜的结合力用Micro-scratchTester来测量。结果发现，与单纯基体离子注入改性、以及存在300nmTi中间过渡层体系相比，离子注入改性加Ti中间过渡层、10μmNi-P中间过渡层预处理后，划痕试验中其摩擦系数的曲线特征和膜基体系的失效模式发生了变化。基体未经预处理、单纯离子注入或单纯Ti中间过渡层预处理的情况下，划痕试验中，摩擦系数表现为突然波动而呈非线性关系，但整体呈增大趋势，失效模式表现为剥离失效。在离子注入改性加Ti中间过渡层或10μm的Ni-P中间过渡层的情况下，其摩擦系数呈近似线性增长，低载荷和高载荷阶段的斜率发生了变化，两不同斜率直线的交点与声发射信号的突然增大点相吻合，据此可判断薄膜失效的临界载荷。而且，TiN/Ti/Ti+-impalnatedAl体系表现为tensilecrack失效，TiN/Ni-P则表现为conformalcrack失效。单纯离子注氮预处理中，加速电压为30kV、注入剂量为1×1017/cm2时的效果最好，而离子注钛则加速电压为40kV、注入剂量为2×1017/cm2时最佳，这两种工艺下，薄膜的划痕临界载荷为TiN/Al体系的2.5倍。TiN/Ti/Ti+-implantedAl，TiN/Ni-P/Al体系的划痕临界载荷约为TiN/Al体系的6倍。 脆性膜层的抗磨损性能与其断裂韧度和膜/基结合强度密切相关，随着断裂韧度和结合强度的增大，抗磨损性能得到增强。TiN膜的织构也一定程度上影响着材料的摩擦性能。与应变能为主的(111)织构相比，注入预处理后形成的(200)织构更有利于提高TiN膜的减摩性能以及与基体的结合强度。摩擦磨损实验结果表明，铝基体经过离子注入预处理后，体系的摩擦系数有较大降低。 在TiN/Al力学性能得到改善的基础上，本文研究了DLC/TiC/TiCN/TiN/Ti梯度多层膜。DLC多层膜则在整个摩擦磨损实验过程中(0～200m)摩擦系数保持在0.2左右，大大延长了金属铝的服役寿命。