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作为应用颇为广泛的传动形式，齿轮传动在机械工业中占据重要地位，齿轮材料的性能与机器的使用状况和寿命息息相关。齿轮材料目前强化齿轮表面性能常采用的方式有渗氮、渗碳、表面喷涂、气相沉积技术等，随着机械生产中对齿轮性能的要求越来越高，单一的表面处理技术并不能满足生产的需要，采用热处理与气相沉积复合表面处理工艺，成为改善齿轮性能的新趋势。物理气相沉积中，硬质薄膜TiAlN膜层在国内外的研究日渐增多，但Al含量对膜层结构、及力学性能的影响研究仍很少。本文对复合表面处理技术及不同Al含量对齿轮材料的性能影响进行探讨，具有一定的理论与实际意义。本论文采用离子渗氮与多弧离子镀复合处理技术，利用Ti、Al配比分别为1:1、1:2、1:3的合金靶与纯度99.99%的纯钛靶，在齿轮材料40Cr表面沉积不同Al含量的单层与梯度Ti-Al-N系膜层，并采用正交试验对Ti0.33Al0.67N膜层的制备工艺进行优化。采用扫描电镜、力学综合测试系统、X射线衍射仪等设备对不同Al含量的结构膜层表面形貌、相结构、显微硬度、膜基结合力、抗高温氧化与耐摩擦磨损性能进行了分析，研究结果表明：1.在齿轮材料表面采用离子氮化技术能够获得较厚渗氮层，使齿轮材料和膜层之间呈合理的硬度梯度，增强陶瓷涂层与基体之间的结合力。2.工艺参数的改变对膜层形貌有一定影响；基体负偏压对膜层结合力影响较大，负偏压升高时，结合力存在最优值；靶电流对膜层显微硬度影响较大，且一定范围内随着靶电流增大，显微硬度达到最佳值。在基体负偏压150V，TiAl合金靶电流60A，N2分压0.5Pa时，能够制备出厚度2.2-2.8μm的Ti0.33Al0.67N膜层，其显微硬度达2634HV0.1，结合力达44N。3.单层Ti1-xAlxN膜层与梯度Ti1-xAlxN膜层结构均主要为面心立方结构，主要相为TiAlN相。Al含量的增多使衍射峰右移，晶格常数减小。4.梯度Ti1-xAlxN膜层膜基结合力较高，显微硬度与单层Ti1-xAlxN膜层相差不大。5.梯度Ti0.33Al0.67N膜层的抗氧化性能比40Cr基体和TiN膜层优异。40Cr基体在300℃时已出现明显氧化，TiN膜层在500℃左右时开始出现氧化现象，而梯度Ti0.33Al0.67N膜层在800℃时其膜层依然完整，未出现剥落现象，性能优良。6.在试验条件相同时，梯度Ti0.33Al0.67N膜层的摩擦系数与磨损量均低于单层Ti0.33Al0.67N膜层与40Cr基体。