316L奥氏体不锈钢具有良好的塑性、耐蚀性以及焊接性能。等离子体渗氮与磁控溅射技术能够在保留316L奥氏体不锈钢原本优良性能的基础上提高其表面的摩擦学性能,因而成为不锈钢表面改性中最常用的两种技术。然而,随着经济和社会的迅速发展,对材料的表面性能要求越来越高,单一的改性技术已无法满足一些特殊工件,特别是在海洋环境中使用较多的不锈钢部件对高疲劳强度、低摩擦磨损以及高承载能力等性能的要求。采用等离子体增强磁控溅射系统,在316L不锈钢表面实现渗氮+镀膜的原位复合处理,能够形成一种以高含氮量、梯度式分布的亚稳态过饱和固溶体为过渡层,外层复合具有更高硬度和耐磨性的硬质膜的复合改性层,从而实现硬质膜与软基体间的良好过渡,显著提高膜基结合力,延长工件的使用寿命。本文主要研究了氮在奥氏体不锈钢中的固溶与析出机制以及扩展奥氏体相的热稳定性,同时研究了渗氮复合CrN及(Cr,Al)N多层膜的相结构和摩擦学性能。结果表明,渗氮后氮原子优先固溶于四面体间隙继而占据八面体间隙。随着渗氮时间增加,占据四面体间隙的过饱和氮原子优先与Fe、Cr形成化合物而析出,且随着基体电流密度增加,析出的时间缩短。氮原子的扩散系数随基体电流密度线性增加,最高可达5.37×10-10 cm~2/s。扩展奥氏体γN相在激光热处理过程中分解生成α-Fe和CrN,CrN相的析出有助于提高渗氮层的耐磨性,但耐腐蚀性降低。渗氮原位复合CrN处理后,渗氮引起的表面粗糙度增大导致CrN的(111)取向择优度增强。随渗氮时间增加,渗氮层厚度增大,复合改性层的耐磨性增强;而渗氮层中氮含量增大则导致氮化物的析出,造成CrN膜的结合力由40.8 N降低至19.3 N。增加Cr/CrN+x中间层能够通过吸收向外扩散的氮原子来抑制氮化物析出,提高结合力至25.7 N;并且能够降低表面粗糙度,减小摩擦系数,增强耐磨性。其中,梯度过渡的CrNx层作用更明显。与单层膜相比,多层结构的薄膜能有效抑制柱状晶生长,从而使表面粗糙程度降低,并使得(Cr,Al)N膜的择优取向由(111)转变为(200)。Cr/CrN/(Cr,Al)N多层膜的纳米硬度提高至26.09 GPa,模量降低至286.8 GPa,结合强度增加。同样,渗氮有助于提高多层膜的耐磨性和结合强度。