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氮化物涂层具有较高的硬度、优良的耐磨性以及良好的化学稳定性,在机械加工、航空航天、汽车工业、芯片制造等领域得到了广泛的应用。如何优化氮化物涂层的成分和结构,获得高硬度、韧性、热稳定性和高温抗氧化性能的综合指标,一直以来是研究人员关注的科学问题。本论文制备了 Si改性TiAlN和CrAlN涂层,用于γ-TiAl基合金的高温抗氧化防护,通过Si改性,不仅在氧化初期促进了涂层表面保护性氧化膜的形成,而且使得保护性氧化膜在长期高温氧化条件下仍能稳定存在,显著降低了涂层的氧化速率;同时TiAlN涂层Si改性还促进了界面Ti5Si3阻扩散层的高温原位形成,抑制了涂层中N向合金中的扩散,使涂层保持了长期的稳定性。通过在抗氧化性能较好的三元TiAlN涂层中添加Ni,提升了其综合力学性能,研究了 Ni对涂层力学性能的影响和机理。首先,对γ-TiAl基合金表面TiAlSiN中Si对涂层抗氧化性能的影响和机理展开研究。采用多弧离子镀的方法,在几种γ-TiAl合金表面分别沉积了Ti0.50Al0.40Si0.10N、Ti0.50Al0.45Si0.05N 和 Ti0.50Al0.50N 涂层。900℃循环氧化过程中,表面沉积的Ti0.50Al0.50N涂层抗氧化性能较差;Ti0.50A10.45Si0.05N涂层和Ti0.50Al0.40Si0.10N涂层抗氧化性能都明显优于Ti0.50Al0.50N涂层。尤其是Ti0.50Al0.40Si0.10N涂层,循环氧化1000次后表面氧化膜依然薄且致密、粘附性好。Ti0.50Al0.40Si0.10N涂层表现出优异的抗氧化性能,主要原因在于:涂层中Si在氧化初期促进了 Al的选择性氧化和氧化膜表层较连续致密的α-Al2O3层形成,阻碍了氧的内扩散;在长期氧化过程中,SiO2在氧化膜中a-TiO2层柱状晶界处偏聚,抑制了该层中a-TiO2晶粒的长大及其向r-TiO2的转化,使得氧化初期形成的α-Al2O3层在长期氧化过程中仍具有保护性;SiO2层在氧化膜/涂层界面处形成以及SiO2在已退化涂层和a-TiO2层柱状晶晶界处偏聚,抑制O的内扩散和Ti的外扩散,从而降低了涂层的氧化速率。Ti0.50Al0.40Si0.10N涂层900℃具有优异的抗高温氧化性能,另一个重要原因就是氧化初期涂层Si向γ-TiAl合金基体中扩散,促使涂层/合金界面附近合金中高温原位形成Ti5Si3阻扩散层。该阻扩散层在900℃长期循环氧化过程中有效地阻碍了涂层中N元素的内扩散及合金中Cr、Nb、Mn等元素的外扩散,使TiAlSiN涂层保持长期的稳定性。Ti5Si3层阻止氮向合金中扩散的主要原因在于,Ti5Si3的氮化反应吉布斯自由能较TiAl氮化反应的高。Mn、Nb和Cr在Ti5Si3层的替位固溶抑制了这些合金组元向涂层中的扩散。其次,对γ-TiAl基合金表面CrAlSiN中Si对涂层抗氧化性能的影响和机理展开研究。采用多弧离子镀的方法,在TiAl合金表面分别沉积了 Cr0.27Al0.73N、Cr0.50Al0.50N、Cr0.28Al0.62Si0.10N 和 Cr0.40Al0.50Si0.i0N 涂层。Cr0.27Al0.73N 和Cr0.28A10.62Si0.10N涂层由于与合金基材热膨胀系数相差较大,900℃循环氧化过程中涂层中形成大量裂纹。在900℃和950℃循环氧化过程中,Cr0.50Al0.50N表面形成了连续的Cr2O3膜,其下形成了以Al2O3内氧化物为主的内氧化区,内氧化区随氧化温度和时间的增加而增厚,950℃循环氧化1000次后,Cr0.50Al0.50N涂层因氧化及与基材的互扩散发生了严重的退化。Cr0.40Al0.50Si0.10N涂层在900℃和950℃循环氧化过程中表现出优良的抗氧化性能,950℃循环氧化1000次后涂层表面氧化膜仍较薄,外层Cr2O3膜下面形成了一层较连续的Al2O3膜,热暴露过程中涂层虽然由c-Cr（Al,Si）N固溶体分解转变为c-CrN、c-Cr2N、Cr和h-AlN,h-AlN相从富Cr相的晶界析出,但热暴露1000小时后涂层中的晶粒仍然非常细小。因此认为,由于涂层中Si的添加细化了晶粒,且抑制了涂层晶粒在氧化过程中的长大,因此氧化过程中促进了 Al的外扩散和较连续的A12O3内层膜的形成,而后者的形成抑制了氧的内扩散。900℃和950℃循环氧化过程中,CrAl（Si）N涂层/TiAl合金界面发生了较严重的互扩散,形成了较厚的互扩散层。最后,对多弧离子镀工艺制备的TiAlNiN涂层中Ni对涂层力学性能的影响和机理展开研究。TiAlNiN涂层呈现柱状晶结构,Ni固溶在TiN晶格中。沉积参数——基体偏压和氮分压对涂层的力学性能有较显著的影响。随涂层中Ni含量的增加,TiAlNiN涂层硬度和弹性模量降低,残余压应力减小,韧性指标H3/E2呈上升趋势。认为Ni以金属态固溶于TiN晶格,而未形成Ni-N键,对涂层中的价键状态产生了影响,从而影响了涂层的力学性能。