應用物理氣相沉積技術(shù)（Physics Vapor Deposition,PVD）在零部件表面沉積高性能陶瓷薄膜，能夠在不改變零部件外形尺寸前提下，有效改善其使用性能。過(guò)渡金屬氮化物陶瓷薄膜，特別是Cr N薄膜，以其高韌性、優(yōu)異的抗粘著(zhù)及耐磨、耐腐蝕性能，已被廣泛應用于摩擦和耐蝕等領(lǐng)域[1,2,3,4]。但傳統PVD技術(shù)在制備氮化物基薄膜時(shí)，一般需要較高的沉積溫度（≥200℃），這嚴重限制了該類(lèi)薄膜在溫度敏感基體（鋁合金、工程塑料等）上的應用[5,6]。此外，由于傳統的直流磁控濺射技術(shù)（DCMS）的濺射材料離化率低，薄膜生長(cháng)過(guò)程中缺少高能離子對成膜表面的轟擊作用，導致制備的氮化物薄膜致密性差，呈貫穿柱狀晶生長(cháng)。晶粒間隙可以作為氧原子及各類(lèi)腐蝕粒子沿晶面擴散的快速通道，嚴重影響薄膜的防護耐磨性能[7]。高功率脈沖磁控濺射技術(shù)（High Power Impulse Magnetron Sputtering,Hi PIMS）可實(shí)現濺射金屬材料的高度離化，產(chǎn)生不含各類(lèi)宏觀(guān)顆粒缺陷在內的高密度沉積離子束流。正如文獻[8]中所提到的，高離化率荷能離子對成膜表面的持續轟擊作用，可大大提升氮化物基薄膜成膜過(guò)程中的反應動(dòng)力學(xué)過(guò)程，顯著(zhù)改善薄膜致密性，為實(shí)現低溫條件下致密氮化物基薄膜的制備，提供了可行的理論及技術(shù)基礎。另外，薄膜微觀(guān)組織形貌演變與到達基體表面的離子束流能量及通量密度密切相關(guān)。因此，針對Hi PIMS在不同脈沖放電模式下的基體附近等離子體狀態(tài)的研究，對深入理解薄膜微觀(guān)組織結構演化，進(jìn)一步降低反應沉積溫度有著(zhù)十分重要的意義。MASZL[9]通過(guò)研究陰極與基體間的等離子體空間特征，指出在基體前同樣會(huì )形成一個(gè)相對較弱的前鞘層，該鞘層將對沉積離子束流起到加速的作用（～2 e V）。國內的柯培玲團隊[10]對低密度放電模式下的基體前區域等離子體狀態(tài)進(jìn)行了更為詳細的研究，指出相對于DCMS,Hi PIMS在低密度模式下的沉積粒子束流離化率雖然有明顯提升，但到達基體附近的粒子束流中仍以中性粒子為主，這也就說(shuō)明了Hi PIMS技術(shù)放電工作模式對等離子體的時(shí)空演化起著(zhù)主導作用。

此外，相對于DCMS來(lái)說(shuō)，Hi PIMS仍有明顯的技術(shù)缺陷急需克服：薄膜沉積速度低，放電穩定性和可控性有待改善。為改善上述問(wèn)題，研究者從調控脈沖放電模式出發(fā)，發(fā)展出了可調控高功率脈沖磁控濺射（Modulated Pulsed Power Magnetron Sputtering,MPP)[11]及雙極脈沖高功率磁控濺射（Bipolar Pulse High Power Impulse Magnetron Sputtering,BPH)[12]。MPP放電模式通過(guò)微脈沖調控放電波形，降低峰值電流及峰值功率，可將脈寬拓寬至ms級，且整個(gè)脈沖作用時(shí)間內保持電壓恒定，實(shí)現了包含預離化過(guò)程在內的多段脈沖位形，進(jìn)一步提高了Hi PIMS放電的穩定性和可控性[13,14]，進(jìn)而明顯改善了Hi PIMS技術(shù)制備薄膜的沉積速率及工藝的穩定性、重復性，更加適合于大規模的工業(yè)化生產(chǎn)。BPH放電模式可實(shí)現在脈沖放電末期正向電壓的調控放電，進(jìn)一步提高到達成膜表面的沉積離子束流密度與能量，顯著(zhù)改善薄膜沉積速率與致密性[15]。國內外相關(guān)研究學(xué)者，如吳厚樸[16]、LIN[17]、ZUO[18]、GRECZNSKI[19]等人分別在利用Hi PIMS改善膜基結合性能，提升薄膜沉積速率等方面進(jìn)行了系統研究，但對于BPH放電模式下的薄膜制備，相關(guān)研究仍處于等離子體時(shí)空演化分析階段[20,21]，未發(fā)現該模式下針對Cr N薄膜性能的相關(guān)研究。因此，就目前采用Hi PIMS技術(shù)在低溫條件下制備Cr N薄膜及相關(guān)性能的研究來(lái)看，仍缺乏關(guān)于應用MPP或BPH脈沖放電模式實(shí)現低溫條件下高性能Cr N薄膜沉積的系統研究。

基于以上原因，本文以Hi PIMS技術(shù)脈沖放電波形可調的技術(shù)優(yōu)勢為基礎，開(kāi)展分別在MPP及BPH放電模式下，不同沉積溫度及基體偏壓對Cr N薄膜的微觀(guān)組織結構、力學(xué)性能及摩擦學(xué)性能的影響研究，以期能夠實(shí)現低溫條件下高性能Cr N薄膜的調控制備。

利用Hi PIMS高真空薄膜沉積系統，調控薄膜沉積參數，在拋光處理的9Cr18不銹鋼片（Ra～50 nm）和N型(100)Si片（Ra～3.2 nm）表面沉積系列Cr N薄膜。沉積系統為八棱柱式結構，采用4組濺射陰極構成閉合場(chǎng)下的非平衡磁控濺射沉積系統。其中一組對靶可施加不同脈沖波形條件下的Hi PIMS放電，也可進(jìn)行傳統的DC放電。樣品安裝于可實(shí)現公轉與自轉的工件轉架上，靶基距為150 mm。采用裝有高純Cr靶（99.99%）的非平衡磁控濺射陰極進(jìn)行不同條件下的Cr N薄膜制備。Hi PIMS薄膜沉積系統結構在文獻[22]中有詳細介紹。

對9Cr18試片和Si片進(jìn)行預處理，將其先后放入高純石油醚、分析純酒精、丙酮中分別超聲清洗15 min，去除吸附于基體表面的宏觀(guān)雜質(zhì)顆粒、防腐蝕油污等雜質(zhì)。清洗完成的基體分別固定于工件轉架上。開(kāi)啟腔室抽真空，待腔體真空度低于2.0×10-3 Pa后，開(kāi)啟工藝試驗。首先，采用直流模式對Cr靶進(jìn)行預濺射清洗，清洗時(shí)間為10 min，再采用本實(shí)驗室研發(fā)的線(xiàn)性陽(yáng)極層離子源產(chǎn)生的Ar+束流對基體表面進(jìn)行刻蝕清洗。離子源選用電壓控制模式，具體放電參數為：陽(yáng)極電壓1300 V，電流145 m A,Ar流量40 m L/min，基體偏壓-200 V，清洗時(shí)間30 min。根據離子源性能測試，該放電條件下經(jīng)30 min刻蝕清洗后，可實(shí)現對150 nm厚的Si Ox薄膜的完全刻蝕處理。因此，該刻蝕清洗工藝可有效去除基體表面的氧化層及其他大顆粒雜質(zhì)，并活化基體表面，進(jìn)一步改善薄膜的膜基結合性能。

等離子體清洗結束后，開(kāi)啟Cr靶，通入設定流量下的Ar/N2混合氣體，進(jìn)行不同沉積參數下的Cr N薄膜沉積。BPH工作模式下選用Nano4Energy 10 k W型BPH電源，MPP工作模式選用Zpulser 20 k W型MPP電源，具體BPH及MPP放電模式波形如圖1所示。不同放電模式下的Ar:N2氣流量恒定為300:200 (m L/min)，沉積時(shí)間為4 h，分別在50、100、150℃的薄膜沉積溫度下進(jìn)行調控；基體偏壓選擇floating及-50 V兩種模式。為了與傳統DCMS濺射工藝進(jìn)行對比，采用DCMS工作模式，選用Huettinger PMP18型直流電源，設置Cr靶平均功率為6 k W，在相同氣氛及100℃、floating/-50 V偏壓條件下制備了Cr N薄膜，并進(jìn)行了微觀(guān)組織結構及力學(xué)性能的表征。具體系列Cr N薄膜沉積參數如表1所示。

選用X射線(xiàn)衍射儀（XRD）表征不同參數條件下所制備Cr N薄膜的微觀(guān)組織結構，設備選用Cu Kα射線(xiàn)，λ為0.154 nm，采用低掠射角平行光掃描模式，掃描范圍為30°～65°。場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM,JSM-6701F）表征Cr N薄膜微觀(guān)組織形貌。同時(shí)，為進(jìn)一步表征Cr N薄膜表面粗糙度的情況，選用MFP-3D型原子力顯微鏡（AFM,OXFORD）表征薄膜的表面組織信息，掃描頻率為2.00 Hz，掃描范圍為2μm×2μm。采用CSM公司生產(chǎn)的NHT S/N060146納米壓入硬度儀測試薄膜納米硬度。設備配置標準Berkovich金剛石壓頭，為保證金剛石壓頭壓入深度小于薄膜厚度的10%，設定測試最大載荷Fmax為5 m N。在每個(gè)待測試薄膜平整致密表面選取16處不同點(diǎn)位進(jìn)行納米硬度壓入測試，測試數據剔除明顯錯誤點(diǎn)后，取平均值作為該Cr N薄膜樣品的納米硬度測試結果。

選用Anton Paar公司生產(chǎn)的真空大氣球盤(pán)摩擦試驗儀TRB3進(jìn)行不同摩擦試驗條件下的摩擦學(xué)性能表征。環(huán)境溫度為24～29℃，相對濕度為45%～55%。選用Al2O3（ϕ6 mm）陶瓷球作為大氣摩擦試驗的摩擦副，調控試驗載荷為2、5、10 N以及摩擦線(xiàn)速度為10、20、40 cm/s。試驗后，磨痕的3D形貌、截面形貌由英國Taylor Hobson公司生產(chǎn)的Taly Surf CCI Lite型表面輪廓儀進(jìn)行表征。

采用DCMS及Hi PIMS技術(shù)在不同基體偏壓條件下制備的Cr N薄膜沉積速率的變化趨勢如圖2所示。從圖中可以明顯看出，Hi PIMS技術(shù)沉積速率明顯低于傳統直流磁控濺射技術(shù)（～1.0μm/h）。從所制備薄膜的部分SEM截面形貌來(lái)看，DCMS沉積的Cr N薄膜呈現明顯的貫穿柱狀晶結構生長(cháng)，晶粒粗大，晶間存在明顯空隙，說(shuō)明該條件下所制備的薄膜致密性較差。采用Hi PIMS技術(shù)在相同沉積工藝下制備的Cr N薄膜的致密性，相較于DCMS薄膜有明顯提升。-50 V條件下，BPH放電模式下所制備的薄膜未觀(guān)察到明顯的貫穿柱狀晶結構生成，薄膜致密性改善明顯。高度致密的組織結構必然使薄膜縱向厚度下降，從而導致Hi PIMS技術(shù)在沉積速率的計算上低于DCMS技術(shù)。以上僅從薄膜微觀(guān)結構方面對Hi PIMS技術(shù)制備薄膜沉積速率較低的原因進(jìn)行了初步分析，但Hi PIMS技術(shù)薄膜沉積速率低的原因涉及多方面。其一，Hi PIMS技術(shù)中成膜粒子主要以離子狀態(tài)存在，在高負電壓濺射陰極的吸引下，相當部分濺射離子會(huì )被靶材回吸，因此，只有部分高能濺射粒子能逃逸出陰極電勢區，到達基體表面，這大大降低了到達成膜表面的離子通量，從而導致沉積速率的明顯下降；其二，根據Hi PIMS放電體系的濺射陰極與基體間的電勢分布可知，在預鞘層區域內存在有明顯的正向電位梯度變化趨勢，該正向電位變化將導致大部分的低能濺射離子無(wú)法到達基體表面參與成膜反應，從而進(jìn)一步降低Hi PIMS技術(shù)的沉積速率[23]；其三，由于高能離子對成膜表面產(chǎn)生持續的荷能離子轟擊作用，將結合能力差的粒子剝離，產(chǎn)生反濺射現象（re-sputtering）；其四，高能離子對成膜表面的轟擊，可提高成膜離子的遷移能，抑制貫穿柱狀晶的連續生長(cháng)，進(jìn)一步提高薄膜的致密性，這也將導致薄膜沉積速率下降。

不同制備條件下沉積的Cr N薄膜的XRD衍射圖譜如圖3所示。Hi PIMS技術(shù)沉積的Cr N薄膜均由單相Cr N相構成，薄膜衍射峰主要包含Cr N(111)、Cr N(200)和Cr N(220)。在BPH脈沖放電模式下，基體懸浮電位時(shí)，薄膜主要為Cr N(220)晶面擇優(yōu)取向，并且隨沉積溫度升高，(220)晶面衍射峰強度增強，峰形更加銳利，表明該條件下的薄膜具有良好的結晶性能。調控基體偏壓至-50 V，由于Hi PIMS技術(shù)具有高濺射材料離化率的特點(diǎn)，在偏壓作用下，顯著(zhù)增強了到達成膜表面離子的能量，對成膜表面產(chǎn)生持續的荷能離子轟擊作用，增大了成膜表面粒子的遷移能量。薄膜衍射峰寬化明顯，衍射強度減弱，表明薄膜發(fā)生了明顯的晶粒細化。沉積溫度為100℃時(shí)，衍射峰寬化現象最為明顯，半高寬最大，表明該條件下制備的薄膜晶粒最為細小。此外，隨著(zhù)沉積溫度的升高，(111)和(200)衍射峰呈現競爭生長(cháng)的現象。沉積薄膜的擇優(yōu)取向是表面能和應變能競爭的結果，即保證薄膜體系能量（表面能和應變能之和）處于最小的狀態(tài)。面心立方結構中，(111)晶面的應變能最低，低溫沉積時(shí)，成膜表面粒子遷移能量不足，有利于具有較低應變能的(111)晶面生長(cháng)；(200)晶面上懸空鍵和非平衡鍵密度最低，因此(200)晶面具有最低的表面自由能�；�體溫度升高使得成膜表面粒子遷移率增加，從而更有利于具有最低表面自由能的(200)晶面生長(cháng)。施加-50 V偏壓，MPP放電模式下制備的Cr N薄膜呈(200)晶面擇優(yōu)取向，并且晶面衍射峰強度大且峰形尖銳，表明Cr N薄膜此時(shí)未能形成明顯的晶粒細化現象。相比于Hi PIMS技術(shù)制備的薄膜，DCMS所制備的Cr N薄膜出現了明顯的六方結構Cr2N(002)晶面衍射峰。DCMS技術(shù)成膜粒子基本為電中性狀態(tài)，偏壓對沉積粒子能量增加作用有限，低溫沉積時(shí)，粒子能量小，活性低，不足以激活形成能較高的Cr N相的生成，從而導致沉積的Cr N薄膜圖譜中出現明顯的Cr2N晶面衍射峰。

在相同的沉積溫度（100℃）及基體偏壓（-50 V）條件下，不同薄膜制備技術(shù)沉積的Cr N薄膜截面形貌如圖4所示。從圖中可以看出，由于DCMS制備技術(shù)濺射材料離化率低，到達成膜表面粒子能量相對較弱，粒子易在薄膜生長(cháng)表面形成團聚，造成表面晶粒尺寸大，且出現明顯晶間空隙，呈現出貫穿粗大柱狀晶微觀(guān)組織結構。相對于DCMS技術(shù)，MPP技術(shù)在提高濺射材料離化率及放電穩定性方面均有較大進(jìn)步，濺射離子在偏壓作用下加速到達成膜表面，對成膜表面產(chǎn)生持續的轟擊作用，從而有效改善薄膜致密性。但從截面形貌來(lái)看，薄膜仍呈現粗大的柱狀晶結構。這是由于通過(guò)降低脈沖峰值功率以及拓寬脈沖時(shí)間，雖然能達到穩定Hi PIMS技術(shù)放電及提高薄膜沉積速率的目的，但也導致其濺射材料離化率相對于典型的Hi PIMS技術(shù)出現了下降。低溫沉積時(shí)，荷能離子對成膜表面的轟擊通量及能量不足，不能阻止貫穿柱狀晶的連續生長(cháng)。BPH放電模式在每個(gè)脈沖末端添加了正向脈沖（+300 V），一方面有效減少了沉積離子的“回吸效應”，另一方面，為沉積離子束流提供了一定的初始能量，有效提升了到達成膜表面荷能離子的通量及轟擊能量[18]，從而達到抑制貫穿柱狀晶生長(cháng)，細化晶粒，提高薄膜致密性的目的。

圖5為不同制備技術(shù)下沉積Cr N薄膜的AFM測試結果。結果顯示，BPH放電模式下Cr N薄膜的表面粗糙度最小，達4.6 nm。此外，從圖5中也可明顯看出，BPH所制備的Cr N薄膜晶粒尺寸更為細小、密集，表明該條件下制備的薄膜存在明顯的晶粒細化現象，這與XRD所得出的結果一致。而從DCMS以及MPP條件下所制備的薄膜表面可以明顯看出，存在低洼空洞區域，這是由于成膜粒子在基體表面的遷移能量不足，致使沉積粒子團聚，這也將嚴重影響薄膜的致密性及表面平整性。

圖6為不同工藝條件下所制備Cr N薄膜的硬度變化曲線(xiàn)。從圖中可以明顯看出，無(wú)論是濺射材料離化率較高的Hi PIMS技術(shù)，還是材料離化率低的DCMS技術(shù)，施加一定的基體偏壓（-50 V），薄膜的硬度均有所升高。相較于DCMS技術(shù)，Hi PIMS技術(shù)在MPP以及BPH放電模式下，沉積溫度為100℃時(shí)，所制備的Cr N薄膜硬度均大于11 GPa，這與MPP及BPH技術(shù)高的濺射材料離化率有關(guān)，Hi PIMS技術(shù)可實(shí)現濺射金屬材料的高度離化，并且產(chǎn)生高密度且不含金屬液滴等大顆粒缺陷在內的沉積離子束流。高離化率的沉積離子束流在適當的基體偏壓作用下，產(chǎn)生對成膜表面的持續離子轟擊作用，顯著(zhù)改善薄膜致密性，從而有效提高薄膜的硬度。此外，從硬度變化趨勢圖中可以明顯地看出，當沉積溫度為150℃、偏壓為-50 V時(shí)，BPH放電模式下制備的Cr N薄膜硬度可達(15.6±0.8) GPa，降低沉積溫度至100℃時(shí)，硬度仍可保持在(15.4±1.1) GPa，表明低溫條件下制備的Cr N薄膜仍可具備良好的力學(xué)性能。結合SEM及XRD測試結果可知，BPH放電模式下制備的薄膜存在明顯的晶粒細化作用，使得該技術(shù)制備的薄膜更為致密，強度更高。提高基體沉積溫度可顯著(zhù)改善沉積粒子遷移能量，并進(jìn)一步提高反應粒子的化學(xué)活性，有效促進(jìn)反應濺射的熱力學(xué)進(jìn)程，提高薄膜中氮化物相比例，改善薄膜力學(xué)性能；另一方面，通過(guò)調控基體偏壓或反應氣體壓強的方式，來(lái)實(shí)現對高離化率沉積粒子束流能量的可靠調控，并應用高能離子轟擊成膜表面來(lái)顯著(zhù)提高粒子的遷移能量的方法，來(lái)提升薄膜生長(cháng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程，可降低濺射過(guò)程中的反應溫度。BPH脈沖放電模式在脈沖放電末端增加了正向脈沖電壓，大大增加了到達成膜表面的離子通量及能量，形成了對成膜表面的持續轟擊作用，從而實(shí)現了在低溫條件下制備具備優(yōu)異力學(xué)性能的Cr N薄膜。

對不同放電模式下（DC/MPP/BPH）制備的Cr N薄膜進(jìn)行了摩擦磨損試驗，薄膜沉積溫度為100℃，偏壓為-50 V。選用Al2O3（ϕ6 mm）陶瓷球作為摩擦試驗摩擦副，載荷為2 N，摩擦線(xiàn)速度為20 cm/s，具體摩擦系數曲線(xiàn)如圖7所示。結果顯示，DCMS技術(shù)制備的薄膜在經(jīng)過(guò)短暫的穩定摩擦磨損階段后，摩擦系數波動(dòng)范圍明顯變大，表明此時(shí)摩擦系統出現了明顯的不穩定，并且薄膜在經(jīng)歷2500轉摩擦試驗后，摩擦系數（COF）發(fā)生突變，薄膜已磨穿失效。相較于DCMS條件下制備的薄膜，MPP及BPH放電模式下制備的薄膜在摩擦過(guò)程中，其摩擦系數均較為平穩，其中BPH脈沖放電模式下制備的薄膜摩擦系數更低，為～0.3，表現出了較為優(yōu)異的摩擦學(xué)性能。

圖8為不同條件下制備的Cr N薄膜在2 N載荷及20 cm/s滑動(dòng)速度下摩擦試驗后的磨痕3D輪廓及2D截面形貌。在100℃、-50 V偏壓條件下，DCMS技術(shù)制備的薄膜形成了十分明顯的磨痕，且于磨痕外側出現了明顯的磨屑聚集現象。表明在整個(gè)摩擦過(guò)程中，由于薄膜力學(xué)性能的不足，導致在摩擦副高的赫茲應力作用下，出現了明顯的薄膜剝落，并形成第三相磨粒進(jìn)一步加速薄膜磨損。在相同的沉積溫度及基體偏壓條件下，采用MPP及BPH放電模式下沉積的薄膜磨痕表面僅為簡(jiǎn)單的拋光磨損，未能觀(guān)察到明顯的磨痕出現。

由上述分析可以明顯看出，Hi PIMS技術(shù)低溫條件下沉積的Cr N薄膜摩擦學(xué)性能明顯優(yōu)于DCMS技術(shù)所制備的薄膜，因此后續將針對Hi PIMS技術(shù)在MPP及BPH放電模式下（沉積溫度100℃，基體偏壓-50 V）制備薄膜的摩擦學(xué)性能進(jìn)行詳細的研究。圖9所示為Cr N薄膜在摩擦速率為20 cm/s下，調控施加載荷后的摩擦系數變化圖。從圖中可以看出，不同放電波形條件下所制備的薄膜摩擦系數變化存在著(zhù)明顯的差別。MPP放電模式下的薄膜摩擦系數均高于BPH條件下制備的薄膜，這可能與薄膜表面粗糙度以及力學(xué)性能有關(guān)。由薄膜表面粗糙度變化趨勢圖可知，MPP放電模式下所沉積薄膜的表面粗糙度明顯高于BPH所沉積的薄膜，高表面粗糙度將導致更大的摩擦系數及摩擦系統的不穩定；另一方面，BPH條件下制備的薄膜力學(xué)性能更為優(yōu)異、硬度更高，在相同周期應力作用下，力學(xué)性能更為優(yōu)異的薄膜可以有效地抵抗外力所帶來(lái)的塑性變形，使得摩擦副與薄膜的接觸面積更小，從而有效降低摩擦系數。此外，摩擦實(shí)驗后期，高載荷（10 N）作用下的薄膜的摩擦系數出現了較大波動(dòng)，這是由于在周期載荷作用下，薄膜發(fā)生了疲勞剝落，形成第三相磨粒，造成了摩擦系統的不穩定。

圖10顯示了在不同載荷下摩擦磨損試驗后，磨痕的3D輪廓以及2D截面圖。隨著(zhù)施加載荷的增大，BPH放電模式下沉積的薄膜磨痕均較淺顯。載荷低于5 N時(shí)，薄膜表面均發(fā)生了簡(jiǎn)單的拋光磨損現象；載荷增大至10 N后，磨痕內部出現了犁溝型磨痕，說(shuō)明此時(shí)摩擦副對Cr N薄膜產(chǎn)生了明顯的切削作用。MPP放電模式下制備的薄膜磨痕深度隨著(zhù)施加載荷的增大而增加，且在磨痕邊緣均出現了磨屑堆積現象。5 N載荷作用下，磨痕內部出現了明顯的犁溝形貌；載荷增大到10 N后，磨痕深度進(jìn)一步增大。薄膜致密性及強度的不足，導致了MPP放電模式下沉積的薄膜耐磨性能與BPH存在明顯的差距。

為進(jìn)一步研究低溫沉積Cr N薄膜在不同摩擦速率下的摩擦磨損性能，分別對BPH及MPP放電模式下制備的Cr N薄膜進(jìn)行12 000轉（載荷為5 N，摩擦速率分別為20、40 cm/s）的摩擦試驗。從圖11中可以看出，在低摩擦速率（20 cm/s）下，Cr N薄膜均呈現出了較為穩定的摩擦磨損狀態(tài)；隨著(zhù)摩擦速率提高至40 cm/s,Cr N薄膜的摩擦系數出現了明顯的波動(dòng)不穩定現象，并且MPP放電模式下制備的薄膜在7000轉左右發(fā)生了磨穿失效。摩擦速率提升，致使周期性載荷施加頻率快速增加，導致薄膜疲勞失效，磨屑排出不及時(shí)，進(jìn)一步加速了薄膜的磨損。

不同摩擦速率條件下，摩擦試驗后的磨痕形貌及磨痕截面輪廓如圖12所示。從圖中可以明顯看出，在20 cm/s的摩擦速率條件下，經(jīng)過(guò)12 000轉摩擦試驗后，BPH放電模式下制備的Cr N薄膜僅為拋光磨損階段，磨痕截面未明顯出現磨痕區域，表明該條件下所制備的Cr N薄膜具備較為優(yōu)秀的耐磨損性能。而MPP制備的薄膜磨痕兩端出現了明顯的磨屑堆積現象，且磨痕較寬，表明薄膜出現了一定的磨損。結合薄膜的微觀(guān)組織結構及力學(xué)性能分析可知，BPH放電模式下制備的Cr N薄膜表面粗糙度、致密性均最為優(yōu)異，這也就決定了該類(lèi)薄膜具備優(yōu)異的耐磨損性能。進(jìn)一步提升摩擦速率至40 cm/s，可以看出BPH制備的薄膜磨痕內部出現了多條明顯的犁溝形貌，且磨痕邊緣發(fā)現了一定量的磨屑聚集。這是由于隨著(zhù)摩擦速率的增加，周期性載荷反復作用，薄膜發(fā)生疲勞剝落，剝落的磨屑來(lái)不及及時(shí)排出摩擦區域，在摩擦副的作用下，聚集壓實(shí)或隨著(zhù)摩擦副作用與薄膜表面形成第三相磨粒，對薄膜進(jìn)行犁削作用，從而導致磨痕內部產(chǎn)生數量眾多的犁溝。而MPP條件下制備的薄膜，由于致密性及強度的不足，導致其在高速的周期性應力作用下，發(fā)生了明顯的薄膜疲勞磨損，從而導致了薄膜的整體磨穿失效。

1）相對于DCMS,Hi PIMS具備高濺射材料離化率，在基體偏壓作用下能產(chǎn)生荷能離子對成膜表面的持續轟擊作用，有效提升了低溫條件下成膜粒子的遷移能，明顯改善薄膜表面平整性，并抑制貫穿柱狀晶的連續生長(cháng)，達到了細化晶粒，改善薄膜致密性的目的。

2）受細晶強化作用及薄膜致密性影響，BPH放電模式下制備的Cr N薄膜硬度可達(15.6±0.8) GPa；降低沉積溫度至100℃，硬度仍可保持(15.4±1.1) GPa。表明采用BPH放電模式，低溫條件下可制備出力學(xué)性能良好的Cr N薄膜。

3)BPH放電模式下沉積的Cr N薄膜具備最為優(yōu)異的摩擦學(xué)性能，摩擦系數低（～0.3）且運行平穩，在高速及重載作用下仍表現出優(yōu)異的耐磨損性能。