镁合金凭借其极低的密度（1.4–1.9 g/cm3）、较高的比强度和刚性、可回收性以及优异的导热性能，成为现代工程材料的理想选择。作为仅次于钢和铝合金的第三大常用结构金属，镁合金在航空航天、汽车、电子和生物医学设备等领域得到了广泛应用，尤其是在需要轻量化的应用中。与传统的镁合金相比，含有稀土元素的ZE系列合金由于具有更好的微观结构均匀性、更强的机械性能、更高的耐腐蚀性和更高的高温稳定性而备受关注。然而，尽管如此，稀土添加对耐磨性的提升仍然有限。因此，为了进一步提高ZE系列镁合金的摩擦学性能并扩大其工业应用范围，表面改性和涂层技术显得至关重要。
常用的镁合金表面改性技术包括电镀、微弧氧化（MAO）和物理气相沉积（PVD）。MAO可以形成一层致密的陶瓷层，从而提高硬度和耐腐蚀性。然而，由此产生的氧化膜通常存在孔隙、微裂纹和较高的表面粗糙度，并且由于放电过程不稳定而导致厚度不均匀[1]；同时，电解液产生的废水污染也日益成为环境问题[2]。相比之下，磁控溅射和阴极弧沉积等PVD方法能够精确控制薄膜的成分和微观结构，能够在相对较低的温度下制备出致密、均匀且附着力良好的涂层[3]。这些优势使得PVD涂层能够有效弥补MAO的缺点，使其成为镁合金等轻量化金属表面强化的更优选择。
先前的研究表明，在镁合金上沉积氮化物基保护涂层是可行的。Hollstein等人成功在AZ31合金上沉积了TiN、CrN和TiAlN薄膜，证明PVD涂层可以提升表面硬度和附着力[4]。其中，CrN因其固有的硬度和耐腐蚀性而受到广泛研究；然而，其粗糙的柱状微观结构通常会限制涂层的耐久性，尤其是在受到机械或环境应力作用时。为克服这些限制，人们采用了合金化策略来改进CrN基涂层。将铝（Al）掺入CrN晶格中形成CrAlN，通过固溶强化和晶格畸变提高了硬度、耐磨性和抗氧化稳定性[5]。然而，CrAlN与镁基底之间的硬度及热膨胀系数差异较大，可能导致界面粘附力减弱，因此需要金属中间层来稳定涂层与基底之间的结合。此外，磁控溅射过程中的基底偏压对微观结构的形成有显著影响：较高的离子轰击能量有助于晶粒形核、限制晶粒生长并提高薄膜密度，从而提升机械强度和保护性能[6]。因此，本研究选择基底偏压作为关键工艺参数，以系统地调控CrAlN涂层的微观结构、密度和缺陷分布，这些因素对镁合金基底的耐磨性和耐腐蚀性至关重要。
在本研究中，采用直流磁控溅射技术在ZE53镁合金表面沉积了Al/AlN/CrAlN多层涂层，以提高其耐磨性和耐腐蚀性。设计镁合金氮化物涂层时的一个关键挑战是镁（Mg）和铬（Cr）之间的电化学势差较大，这可能导致在施加CrAl金属中间层时发生电偶腐蚀[7]。因此，选择铝（Al）和氮化铝（AlN）作为中间层，分别用于改善粘附性和防止镁与铬之间的接触。铝层与基底形成牢固的冶金结合，而氮化铝层则具有优异的绝缘性能和耐腐蚀性。最外层的CrAlN层作为主要保护层，提供高硬度和出色的耐磨性。通过系统地改变CrAlN沉积过程中的基底偏压（−50 V、−75 V、−100 V），优化了涂层的微观结构和性能。
总体而言，这种多层涂层结构旨在解决ZE53镁合金的耐磨问题，并同时提升其耐腐蚀性。通过优化CrAlN沉积过程中的基底偏压，本研究旨在开发出适用于恶劣环境的耐用涂层，从而拓展稀土镁合金的工程应用范围。
