轴承作为重要的传动件决定了系统的可靠性和机械效率。相比于普通轴承,航空轴承的服役条件更加苛刻,可靠性要求更高,这就要求其向超长疲劳寿命、超高强韧化和耐磨的方向发展。M50钢及其变体M50Ni L钢被称作第二代轴承钢,是目前航空轴承的主要用钢。碳氮薄膜因其固有的高硬度、低摩擦系数、高耐磨性、低成本等优点成为应用于齿轮箱和轴承的良好候选材料。然而,硬度较高的碳氮薄膜与钢基体之间存在较大的性能差异,容易产生较大的残余应力,从而导致膜基结合力差,限制了其在轴承钢基体上的应用。针对M50轴承钢超长疲劳寿命、超高强韧化和耐磨等性能要求,本文将设计一种合金钢纳米组织氮化层与类金刚石膜表层复合的改性层,通过氮碳双渗工艺实现了M50钢表面复合改性层的原位制备,实现了改性层承载和耐磨减摩的协同,显著提高轴承钢的耐磨性能。通过热力学计算和第一性原理模拟对耐磨减摩功能层的结构进行设计,指导了氮碳双渗工艺的选择。Fe-Cr-N三元正方体系的混合吉布斯自由能的热力学计算结果表明,淬火态M50钢在等离子体渗氮过程中存在稳定性极限,可以发生调幅分解反应,实现渗氮组织纳米化。由此,进行了纳米化表面的相结构设计,其组成马氏体相（高氮和低氮马氏体相）和氮化物Fe4N、Fe3N。第一性原理计算结果显示,基体中碳元素和氮化物形成元素的固溶,均会增加N原子的扩散势垒。因此,渗氮纳米化工艺参数选择如下:渗氮温度范围410-570 oC,气氛中的N2/H2为1/7、1/3和3/1。第一性原理计算的结果表明碳化物Fe5C2的（100）和（111）晶面上sp~2和sp~3键合碳的形成能为负,其中（100）形成能最小,可以诱导类金刚石结构的生长。只有强碳化物形成元素Cr、V可以同时提高Fe5C2的结构稳定性和（100）晶面的稳定性;Fe-C-N三元相图证实了,预氮化表面较高的N含量有利于碳化物Fe5C2的形成。渗碳温度高于越高越有利于HCP结构的生成,为制备出含有不同碳氮化合物的渗碳层,本文选择410-570 oC作为渗碳范围。依据热力学设计的参数,在淬火M50钢上进行等离子渗氮,对不同温度、气氛、时间下,生成的渗层的组织结构、性能进行表征,优化渗氮工艺。淬火态M50钢经过渗氮处理,表面相组成均为含氮马氏体α’、氮化物Fe4N、Fe3N和少量的MN。渗氮参数主要影响氮化物的含量与取向。温度过低、时间过短或氮氢比过高,均不利于渗层增厚。在温度较高（T≥530 oC）、时间过长（t≥12h）或氮氢比较高（N/H≥3/1）时,渗层表面会出现化合物层,内部会形成粗大沿晶组织,导致渗层组织恶化。在二次硬化温度下（530 o C）渗氮,表面与亚表面发生同步强化,产生较厚的高硬度区,硬度梯度变缓,摩擦系数和磨损率达到最低,分别为0.39和1.32×10-5 mm~3N-1m-1。以预氮化组织作为初始态,在设计的渗碳温度范围内进行渗碳工艺探索。碳氮层的结构与实验条件有关,渗碳温度410-490 oC时碳氮层含有Fe5C2纳米颗粒sp~3键较多呈类金刚结构。随着渗碳温度升高,时间延长,以及气氛中含碳量增加均有利于Fe3C产生,碳氮层中sp~3键减少sp~2键增多,表面硬度降低。耐磨减摩功能层纳米硬度和摩擦磨损性能均主要取决于碳氮层的结构,其中在450 oC和490 oC气氛为C80渗碳4 h表面碳氮层具有类金刚石结构（DLC）,表面硬度较高达到12.65-19.88 GPa,综合力学性能较为优异,摩擦系数为0.2～0.25,磨损率为0.52～0.6×10-5 mm~3N-1m-1。结合热力学相图阐述耐磨减摩功能层梯度结构的形成机理,并揭示了耐磨减摩功能层强韧化和耐磨性同步提高的微观机制。