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火炮在发射过程中,身管内膛为高温高压的火药气体工况,同时弹带与内膛表面存在剧烈的摩擦磨损,另外在海洋等气候条件下,身管受到剧烈的盐气腐蚀作用,因此火炮身管内膛表面抗高温氧化性能、耐磨损性能和耐盐气腐蚀性能是衡量其性能的重要指标。随着对火炮射击远程化的要求,更高能量的发射药应用于火炮系统中,传统的电镀铬已经越来越不能满足炮管内膛的工况要求。为了提高火炮身管内膛的性能,需要开发新的膜层制备技术和膜层材料。本文在综合分析国内外火炮身管延寿技术的基础上,从膜层制备来提高火炮身管材料表面性能的角度出发,首次采用磁控溅射技术在火炮身管材料PCrNi3Mo钢表面施镀CrAlN膜层,并在此基础上添加稀有金属V元素来进一步改善膜层的综合性能,通过对所制备膜层硬度与弹性模量、摩擦磨损、抗高温氧化、耐腐蚀性能的测试与分析,综合确定了合理的膜层制备工艺,以此为火炮身管延寿技术提供理论参考。本研究取得了如下的研究成果:（1）工艺参数对磁控溅射膜层性能的影响:溅射膜层过程中,未施加基体负偏压情况下,膜层结构疏松并出现明显的斑点缺陷,当施加50-100V偏压时,由于溅射粒子能量提高,膜层表面平整致密,继续增加负偏压至150V时,溅射粒子对膜层表面轰击作用增强而导致膜层表面损伤,随着负偏压增至200V、300V,表面损伤越发严重而造成膜层表面质量下降,其中施加100V偏压的膜层具有最佳的表面质量;溅射电流在0.1-0.2A范围内变化时,随着溅射电流的增大,溅射速率增大,同时由于溅射粒子能量的增加,导致膜层平整致密,力学性能提高,溅射电流在0.2-0.4A范围内变化时,由于过高的粒子能量轰击表面使得表面损伤,同时,过高的溅射电流使得Cr粒子能量与数量增加,未被氮化的Cr以单质Cr的形式存在于膜层中,导致膜层力学性能下降,其中溅射电流为0.2A时膜层具有最佳的表面质量和力学性能;当N2/Ar<3/4时,由于部分Cr原子未被氮化,随着N2流量的增加,膜层硬度和弹性模量增大,当N2/Ar流量比达到1的时候,Cr原子完全被氮化,膜层硬度和弹性模量达到最高,当继续增大N2/Ar流量比的时候,膜层的硬度和弹性模量开始略微降低。在负偏压100V,溅射电流0.2A,N2/Ar流量比为1时溅射的CrN膜层质量最佳,其硬度和弹性模量分别为21.38GPa和272.71GPa。（2）CrAlN与CrAlVN膜层的制备与力学性能:通过控制Al靶功率（50-200W）,制备出不同Al含量的CrAlN膜层,所制备膜层表面均为“菜花状”结构,断口显示出典型的柱状晶结构。Al的引入细化了晶粒,在一定范围内起到了固溶强化的作用,其中Cr0.34Al0.66N膜层具有最佳的硬度与弹性模量,分别为23.91GPa和316.2GPa,其摩擦系数为0.293;通过控制V靶电流（0.03-0.09A）,制备出不同V含量的CrAlVN膜层,稀有金属V元素的引入使得晶粒细化越发明显,V固溶在CrAlN膜层中导致晶格发生变化进而引起固溶强化,致使膜层表面更加平整而致密,柱状晶间距减小,结构更加致密。其中Cr0.31Al0.62V0.07N膜层具有最佳的硬度与弹性模量,分别为24.98GPa和336.02GPa,摩擦系数降低至0.186。（3）炮钢基体、CrAlN与CrAlVN膜层抗氧化性能:炮钢在空气中500℃氧化10小时后表面形成Fe3O4和Fe2O3两种氧化物,600℃、700℃氧化10小时后表面形成FeO、Fe3O4和Fe2O3三种氧化物,其中700℃时表面氧化膜出现大量分层和剥落。CrAlN膜层在750℃、850℃下空气中氧化20小时后,表面形成了以Al2O3为主的氧化膜,750℃氧化后膜层内部除了主要含有fcc结构的CrN外,还有少量的纤维锌矿结构的w-AlN;850℃氧化后膜层中相结构由CrN、Cr2N和Cr组成。在950℃下恒温氧化20小时后,表面主要形成了以Fe3O4和Fe2O3为主的氧化物;CrAlVN膜层在750℃、850℃和950℃下空气中氧化20小时后,表面形成了以Al2O3为主的氧化膜,随着温度的提高,其表面V的氧化物按AlVO4→V3O7→VO2转变,膜层中的相一直保持fcc-CrN结构。V的加入抑制了膜层中柱状晶的长大,使膜层中的晶粒细化尺寸约为7nm,提高了膜层的抗高温氧化性能,延缓了基体元素Fe向膜层中的扩散,稳定了膜层中的相结构。随着氧化温度的提高,CrAlN膜层的硬度和弹性模量下降很快;而CrAlVN膜层仅有小幅下降,经950℃下恒温氧化20小时后,CrAlVN膜层的硬度和弹性模量分别为20.82GPa和314.6GPa,较沉积态分别仅下降了16.7%和6.4%。（4）炮钢基体、CrAlN与CrAlVN膜层耐腐蚀性能:PCrNi3Mo钢在3.5%NaCl溶液中发生活性溶解,表面腐蚀产物不具有保护作用;CrAlN与CrAlVN膜层均提高了PCrNi3Mo钢的耐腐蚀性能,并存在钝化现象。CrAlN和CrAlVN膜层均使PCrNi3Mo钢的阴极反应得到抑制。CrAlVN膜层表现出更为优异的防护效果,源于其均匀而致密的微观结构。