火炮身管在服役过程中要承受高温、高压、高速火药气体的冲刷,将使身管内膛金属发生物理和化学变化,也必然引起诸如初速下降、射程变短、射击精度下降等弹道性能的退化,严重影响火炮寿命和战斗力。因此,改善身管性能及延长身管服役寿命,是火炮研发过程中极其重要的环节。电镀铬涂层虽能对身管起一定保护作用,但其本征微裂纹缺陷成为火药残留优先腐蚀基体的通道,使涂层快速剥落,并且六价铬电镀工艺严重污染环境,因此研究代铬涂层及工艺势在必行。本文采用负辉区磁控溅射工艺,在30Cr Ni3Mo V炮钢表面沉积纳米晶钽涂层开展如下研究,并取得相应结论:（1）在钢基体表面溅射钽涂层,利用XRD、SEM和TEM技术针对涂层生长过程中组织结构进行了深入的研究,分析涂层易优先获得β相的关键影响因素和沉积相变行为。结果表明,合金钢表面的物理化学吸附氧,被溅射钽原子争夺过去,在形核过程中原位发生反应溅射形成Ta Ox打底层。基于负辉区的辐照热效应,钽涂层的生长过程为Ta Ox→非晶钽→α+β混相→α相的相变沉积行为。（2）与电镀铬涂层进行对比,利用XRD、金相显微镜和SEM对纳米晶钽涂层在激光脉冲加热的模拟烧蚀结果进行表征,分析二者的服役失效机理。结果表明,电镀铬涂层容易在循环热应力中产生横向微裂纹,与纵向裂纹相接后产生大块剥落行为;膜基界面处的基体容易发生氧化,同时产生较深的热影响区。纳米晶钽涂层在激光脉冲加热过程中基本完好无损,仅100次脉冲过后产生因热应力释放而产生的微裂纹;Fe/Ta界面处出现了互连接区,这是由激光脉冲扫描的亚表面沸腾效应产生的。界面沸腾现象的产生,使得纳米晶钽涂层与基体之间的结合力降低,成为服役过程中界面失稳的隐患。（3）与轧制钽板相比,利用XRD、SEM和TEM技术,考察纳米晶钽涂层的短时氧化行为,确定了纳米晶钽涂层异于轧制钽板快速失效的行为机理,并发现了钽在氧化过程中的粉化过程及机制。结果表明,轧制钽板在数秒内完成了表面钽氧化物的膨胀和崩裂,使得钽块的内部基体快速暴露于高温空气中,在高温下再次快速氧化,发生循环崩裂粉化的现象。纳米晶钽涂层因其纳米柱状晶的特性,其本征针孔为氧的快速向内扩散提供了大量的通道,致使涂层表面的氧不易快速富集;同时柱晶之间的空间为氧化的体积膨胀提供了释放区,使表面容易形成相对致密的氧化钽层,封闭了氧沿晶间扩散的通道。另外,在氧化初期,纳米晶钽还经历了非晶态向晶态的转化过程,氧化钽晶化将产生自持性能量,会使得局部温度超过氧化钽的熔点,进而发生钽氧化物的外崩行为。外崩后的钽氧化物在外表面发生了降温固化后的体积收缩行为,使其成为粉化的个体,从而快速瓦解。