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本文利用多弧离子镀技术，采用Ti-50Al(at%)合金靶，通过控制反应气体氮气、氧气的分流量，在高速钢基体上制备TiAlON/TiAlN/TiAl复合膜和TiAlON/TiAl复合膜。对两种膜层的表面及断面形貌、表面成分、断面成分分布和相结构进行测量和表征；测试分析了膜层硬度、膜/基附着力、及650℃抗热震性能。研究表明，TiAlON复合膜由Ti、Al、N、O四种元素组成，膜层中的氧元素含量随试验过程中通入氧气流量的减小而减小，膜层中的Al/Ti含量比均小于1。X射线衍射检测显示，TiAlON复合膜由TixAlyN、TixAly以及钛或铝的氧化物构成。膜层与基体之间没有发现明显的缺陷存在，膜层具有柱状晶组织。膜层厚度约为1.8-2.8微米，其中TiAlON/TiAl复合膜的厚度略低于TiAlON/TiAlN/TiAl复合膜。TiAlON/TiAlN/TiAl复合膜和TiAlON/TiAl复合膜均拥有良好的膜/基结合力(>200N)，明显优于文献报道中的TiAlON单层膜和TiAlON/TiAlN双层复合膜。TiAlON复合膜在一定范围内的氧流量下制备的TiAlON复合膜，其显微硬度随氧气流量的增加先增加，之后急剧下降，存在一个显微硬度极大值；该硬度极值达到4000HV以上，明显高于TiAlN单层膜的显微硬度。TiAlON复合膜显示出明显优于TiAlN薄膜的抗热震性能。在650℃高温下保温15min后进行水冷，TiAlON/TiAlN/TiAl复合膜的最高抗热震次数可以达到13-15次，而TiAlON/TiAl复合膜的最高抗热震次数约为10-11次，且均以膜层氧化腐蚀脱落作为膜层主要的失效形式。综合比较TiAlON/TiAlN/TiAl复合膜和TiAlON/TiAl复合膜的力学性能，获得了最佳的膜层沉积工艺和最佳的综合力学性能。即，在氧气流量为12sccm（氧气分压：0.610-1Pa）、沉积偏压为150V时，获得的TiAlON/TiAlN/TiAl复合膜和TiAlON/TiAl复合膜达到了最佳的力学性能，硬度分别为4163HV和4315HV；抗热震循环分别达到13次和10次；结合力均达到200N以上。