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针对航空航天等高新技术装备对室温至1000℃宽温域自润滑材料的需求，本论文选择高硬度、高熔点、热稳定性优异的Cr2O3陶瓷薄膜开展研究。Cr2O3薄膜因其具有摩擦系数低、抗磨蚀能力强等优点，广泛应用于数据读写磁头、轴承以及汽缸内壁等。本论文利用多弧离子镀技术制备了Cr2O3陶瓷薄膜，通过退火处理改善Cr2O3陶瓷薄膜的力学性能与摩擦学性能。系统研究了退火温度对薄膜结构及其宽温域摩擦学性能的影响;考察了不同热处理环境中薄膜的相变及元素扩散行为;建立了高温元素扩散机制及其宽温域自润滑机理。取得了一些创新性结果，获得的主要研究结论如下: 1.利用多弧离子镀技术在Inconel718合金表面制备了Cr2O3薄膜，薄膜的结晶度较低，磨损寿命只有220 m左右，其失效形式为疲劳裂纹贯穿薄膜，导致薄膜剥落失效。通过对Cr2O3薄膜的退火处理发现:薄膜重结晶的温度点为360℃，当退火温度高于重结晶的温度点时，薄膜的结晶度显著提高，韧性增加，耐磨性提高10倍以上。其主要机制是退火处理导致Cr2O3薄膜的缺陷减少、压应力增加以及基材金属原子扩散。 2.在1000℃高温下，Inconel718合金基材中的Ti和Cr原子扩散至薄膜表面氧反应生成Cr2O3和Cr2Ti7O17复合相，并在晶界处堆积，从而形成了类网状凸起结构。这种结构赋予了薄膜非常优异的宽温域多循环自润滑性能:在25至1000℃的宽温域环境下，薄膜的摩擦系数均低于0.3，磨损率也保持在10-7 mm3/Nm量级，并且在5个热循环内摩擦系数基本不变。此外，当这种类网状凸起结构遭到破坏后，基材中的Ti和Cr原子在1000℃环境下会继续往破损处扩散并与氧反应生成由Cr2O3和Cr2Ti7O17复合相补充凸起结构，这种自补充机制可以延长其在宽温域环境下的磨损寿命。 3.为了研究元素的扩散行为，我们对Cr2O3薄膜在1000℃下进行了不同保温时间和不同气氛的退火处理。研究发现:保温时间越长，凸起结构的高度越大，摩擦系数与磨损率也就越低。此外，基材中的Ti和Cr元素在氮气、氧气以及惰性气体氩气中均会发生扩散。但是经过真空退火处理后的薄膜中并没有发现元素扩散现象，而是在薄膜表面形成了大量的裂纹。在氩气环境下经过1000℃退火处理后薄膜表面形成了一层由单质Cr以及少量的TiO2组成的扩散层。在氮气环境下扩散层则由Cr2N和TiN构成。当退火环境为氧气时，在表面形成了由Cr2O3和Cr2Ti7O17相组成的类网状凸起结构。但是在氩气、氮气以及氧气环境下退火处理后的Cr2O3薄膜机械性能均较差。 4.通过TiCr共沉积、纯Ti过渡层、TiCr过渡层以及对基材进行Ti+轰击的方法来引入Ti元素，并且控制Ti元素的含量依次减少。通过对1000℃退火前后薄膜结构与机械性能的研究发现:TiCr共沉积制备的复合薄膜的结晶度较低，力学性能与摩擦学性能均较差。而通过纯Ti过渡层、TiCr过渡层以及Ti+轰击的方法设计制备的薄膜退火前与Cr2O3原始薄膜具有相似的力学与摩擦学性能。经过1000℃退火处理后，纯Ti过渡层以及Ti+轰击的薄膜均出现了剥落现象。对于TiCr共沉积以及TiCr过渡层的薄膜而言，虽然1000℃退火处理后生成了Cr2Ti4O11相，但是并没有出现类网状凸起结构，薄膜的摩擦系数也没有降低。