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采用闭合场非平衡脉冲磁控溅射沉积碳氮化铬薄膜,利用EPMA、XPS、GIXRD、FESEM和HRTEM表征了薄膜的成分与结构,纳米压痕仪、Rockwell C硬度计、划痕仪和球盘式磨损实验机分别表征碳氮化铬薄膜的力学和摩擦学性能,分析薄膜成分、结构及其性能之间的关系,探讨复合薄膜性能改善机制。采用等离子体质量和能量分析仪探测闭合场非平衡脉冲磁控溅射沉积薄膜时的离子质量和能量分布,讨论等离子体特性对薄膜结构与性能的作用规律。脉冲直流纯氩和氮氩混合气磁控溅射铬和碳时52Cr+、40Ar+、12C+和28N2+的离子能量分布均包括3个能量区域：峰值为4-5 eV的低能能量峰、能量峰为20-40 eV的中间区域和80-200 eV的高能区域。脉冲频率100 kHz时,随着占空比由90%降至50%,最大离子能量由90 eV拓宽至量程极限200 eV；脉冲频率提高至200 kHz,最大离子能量却逐渐由90 eV减至50 eV,占空比为50%时又突然增至130 eV,且均小于相同占空比条件下100 kHz时的能量。脉冲直流磁控溅射沉积碳氮化铬薄膜,厚度约为2-3μm,在不锈钢和单晶Si基体与薄膜之间沉积了厚约100 nm的金属铬附着层,工作气压0.27 Pa,铬靶和碳靶共溅射,溅射功率分别为500-1000 W和600-1400 W,脉冲频率0-200 kHz,占空比50-90%,氮气分压0-60%。氮气分压、铬靶和碳靶溅射功率是控制碳氮化铬薄膜成分的主要参数,覆盖的成分范围为47.0-58.9 at.%Cr,15.5-38.9 at.%C和36.3-55.9 at.%N。碳氮化铬薄膜由纳米晶体相和非晶相组成,非晶相的含量随着碳、氮含量的增加而提高。固定铬靶溅射功率1000 W、碳靶1400 W,随着氮气分压fN2由20%增至50%,C／Cr原子比为0.29-0.39,而N／Cr原子比由0.41增至0.92。Cr靶700 W,FN2为20%-60%时,C／Cr原子比为0.23-0.90,而N／Cr原子比由0.37增至1.90。保持20%氮气分压和1000 W铬靶溅射功率,逐渐提高碳靶功率至1000 W, N/Cr原子比为0.54-0.62,而C／Cr原子比由0.26增至0.44。氮化铬薄膜为密排六方Cr2N结构,C进入密排六方Cr2N点阵中N的亚点阵位置,形成复合化合物Cr2(C,N),随着碳和氮的不断增加,最终转变为面心立方Cr(C,N)。铬靶溅射功率降至500 W时,薄膜中Cr含量进一步降低,组成为CrC1.47N1.30,薄膜结构为含Cr非晶C(N)。Cr靶和C靶的脉冲参数对碳氮化铬薄膜的成分与相结构没有明显影响,组成为CrC0.23-0.35N0.83-0.91,均为面心立方Cr(C,N)。随着(C+N)/Cr原子比由0.81增至2.77,碳氮化铬薄膜中观测到3种微结构：横向晶粒尺寸为20-50 nm的纳米柱状晶Cr2(C,N)或Cr(C,N),纳米晶Cr(C,N)/非晶C(N)复合结构和含Cr非晶C(N),对应的薄膜组成为：CrC0.26N0.55或CrC0.29N0.74,CrC0.35N0.91和CrC0.90N0.88,以及CrC1.47N1.30。闭合场非平衡脉冲直流磁控溅射沉积碳氮化铬薄膜的硬度为11.0-30.9 GPa, H/E比值0.058-0.102,摩擦系数0.31-0.59,磨损量1.28-18.2×10-6 mm3N-1m-1,膜基结合性能HF1-3,薄膜开始失效的临界载荷(LC3)5-23 N,具有很好的力学和摩擦学性能。碳氮化铬薄膜微结构为纳米柱状晶时,随着晶体结构由hcp-Cr2(C,N)转变为fcc Cr(C,N),硬度由17.5 GPa增至25.4 GPa,摩擦系数为0.52-0.56,磨损量为1.28-1.76×10-6 mm3N-1m-1;具有纳米晶Cr(C,N)／非晶C(N)复合结构的碳氮化铬薄膜硬度达30.9 GPa, H/E比值0.102,摩擦系数和磨损量分别为0.31和3.67×10-6 mm3N-1m-1,随着非晶含量的增加,硬度和H／E比值降至19.7 GPa和0.089,摩擦系数升至0.45；薄膜结构转变为含Cr非晶C(N)结构时,硬度仅为11.0 GPa, H/E比值0.059,磨损量高达18.20×10-6mm3N-1m-1。等离子体质量和能量分析表明高功率调制脉冲磁控溅射铬时产生了高束流低能多价金属铬和气体原子,离化率随着靶峰值功率和电流的增加而提高,氩气溅射时产生的等离子体中包含52Cr+、40Ar+、52Cr2+、40Ar2+离子,而氮氩反应溅射时由Cr1-3+、Ar1-3+、N+1-2、N2-4+、CrN+和CrN2+组成,峰值能量均为3-4 eV。随着平均功率由1 kW增至3.5kW,直流磁控溅射沉积铬的沉积速率由67.9 nm min-1线性增至163.0 nm min-1,高功率调制脉冲磁控溅射沉积时,同样随着平均功率在0.8-4 kW范围内线性增加,为53.7-230.3nm min-1。高功率调制脉冲磁控溅射和直流磁控溅射沉积氮化铬的沉积速率相当,氮气分压50%、平均功率1-4 kW条件下,沉积速率为30-220 nm min-1。平均功率为1-4 kW时,高功率调制脉冲磁控溅射沉积的铬薄膜为纳米柱状晶a-Cr,晶粒尺寸为60-100 nm,硬度为9-15 GPa,而直流磁控溅射的晶粒尺寸随着平均功率增加而增至微米级,硬度为8.2-4.3 GPa。氮气分压50%条件下,直流、脉冲直流和高功率调制脉冲磁控溅射沉积氮化铬薄膜为纳米柱状晶CrN结构,晶粒尺寸分别为105 nm、78 nm和45-60 nm,硬度、摩擦系数、磨损量分别为16.0 GPa、0.58、8.75×10-6 mm3N-1m-1, 21.0 GPa、0.45、3.65×10-6mm3N-1m-1和24.5-26 GPa、0.33-0.36、2.43×10-6 mm3N-1m-1。随着氮气分压由10%增至30%,高功率调制脉冲磁控溅射沉积的碳氮化铬薄膜由a-Cr+β-Cr2(C,N)逐渐演变为Cr(C,N),硬度为23.2-24.6 GPa,摩擦系数0.4-0.6,磨损量1.2-3.7×10-6mm3N-1m-1。高功率调制脉冲磁控溅射改善了薄膜的结构,提高了所沉积薄膜的力学和摩擦学性能。