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采用物理气相沉积(PVD)技术在基体表面涂覆抗高温、耐磨的硬质涂层，可以提高材料表面性能。CrN硬质涂层具有硬度高，耐磨、耐腐蚀性等特点，在铸造、机械加工及成型等领域得到较广泛的应用。但是，由于CrN薄膜抗氧化温度较低，高温使用性能差，限制了其在高温领域的应用。添加其他合金元素形成多元合金硬质涂层可有效提高薄膜的高温使用性能，尤其对提高模具的使用寿命有重要意义。
本研究在CrN薄膜中加入Al和Nb元素并对其合金化，应用闭合场非平衡磁控溅射离子镀沉积技术，在M42高速钢和H13热作模具钢基体上制备具有优异结合强度的CrAlN和CrAlNbN两种多组元硬质梯度薄膜。利用XRD、GDS、EDX、SEM、光学显微镜等检测方法，分析研究薄膜的相组成、成分分布、表面及截面形貌。通过高温球盘磨损实验机、显微硬度计、洛氏硬度计及球坑仪等仪器考察了镀膜试样的摩擦系数、比磨损率、膜基结合强度等力学性能，深入研究CrAlNbN和CrAlN薄膜的高温摩擦学行为，阐述了不同阶段摩擦系数变化规律及薄膜的高温磨损机理。并通过观察镀膜试样在模拟真实压铸模具工作条件下表面裂纹形貌，分析了不同循热环次数后镀膜的热疲劳性能以及Nb元素对薄膜抗热疲劳性能的影响。得出主要结论如下：
1.选取Al及Nb作为添加合金元素，利用磁控溅射制备CrAlNbN和CrAlN薄膜并进行工艺参数优化。在Al、Nb靶电流为2A工艺下制备的薄膜成分梯度分布，膜基结合强度最好，表面光滑，致密性好，缺陷较少。薄膜呈柱状晶生长，晶柱间间距很小。CrAlN薄膜相组成主要包括CrN和AlN；加入Nb元素后，生成了NbN化合物相。
2.高温磨损时摩擦系数在摩擦开始阶段较大，随后逐渐降低。与CrAlN薄膜相比，CrAlNbN薄膜的摩擦系数相对较高，但磨损量较少，比磨损率降低。CrAlNbN薄膜中NbN化合物的弥散析出和固溶强化，不仅改善基体断裂韧性，降低摩擦过程中镀层的断裂或剥落倾向，是提高其耐磨性的主要原因。CrAlN和CrAlNbN薄膜的磨损机理分别以磨粒磨损和黏着及氧化磨损为主。
3.CrN、CrAlN和CrAlNbN镀膜试样的抗热疲劳性能相对基体均有所提高。其中，镀CrAlNbN薄膜的试样表面出现的裂纹长度短、数量少，其抗热疲劳性能优于CrN和CrAlN薄膜。CrAlNbN薄膜中高硬NbN化合物可提高薄膜的表面强度，抑制热疲劳裂纹的萌生。此外，高温形成的Nb2O5氧化物高温稳定性好，可改善模具表面的抗腐蚀性能，有助于提高薄膜的热疲劳抗力。