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随着高推重比发动机和大型发动机的研发,解决高载荷条件下耐磨润滑问题日益迫切。类金刚石涂层由于其具有低摩擦系数、高耐磨性等优点业已成为解决军工产品耐磨问题的首选材料。但是单层结构类金刚石涂层的承载能力较差,且内应力较大、膜基界面结合力较差,在高载荷下易于发生断裂、剥离等失效行为。为了解决这一问题,国外正在研发粘结层(金属层)+承载层(耐磨层)+润滑层(DLC)这种耐磨润滑涂层体系。通过功能化梯度过渡层与承载层的设计,可使涂层的组分和微观结构沿涂层生长方向梯度渐变,显著提高涂层与基体的结合强度和涂层的抗载荷性能。另一方面国际上涂层制备技术正朝着大面积加工、复合加工和高表面质量加工方向发展,鉴于此本论文首先进行了阴极弧与磁控溅射技术的复合研究,从复合源技术研究入手,解决矩形阴极弧源大面积燃烧和可控烧蚀问题,并将其与中频磁控溅射复合,从而实现大面积加工和高表面质量涂层。在此基础之上,再进行具有高承载力的类金刚石耐磨涂层研究。本论文主要包括以下几个部分：(1)首先设计并优化了矩形大面积可控弧靶(尺寸为430mmx125mm),通过可编程线圈电源设计,利用线圈电流对磁场产生微扰作用,实现对弧斑燃烧轨迹的控制,使得其按照扫描式轨道进行燃烧,大大提高靶材刻蚀均匀性和靶材利用率；将可控弧靶与中频磁控溅射靶复合到同一设备中,以满足制备多层结构涂层的需求。对复合源设备,通过磁场模拟测试及等离子体密度测试等手段对沉积环境进行表征,结果表明复合源设备等离子体均匀性较好,复合源开启时真空室内等离子体密度明显高于单个源开启时的等离子体密度值,为8.98×1011/cm3左右,真空室内等离子体密度在101l/cm3以上的有效工作区为φ400×450mm2；利用复合源设备提供的不同技术,对比研究了阴极弧沉积、先弧沉积后磁控溅射沉积、阴极弧与磁控溅射共沉积、磁控溅射沉积四种工艺制备的氮化钛涂层,通过对氮化钛涂层表面断面形貌分析,可以看出复合源沉积的涂层相对于阴极弧沉积样品涂层表面质量明显提高,同时组织结构已无柱状晶生长特征,显示为致密的结构；在400N载荷下,与WC球对磨时,阴极弧与磁控溅射复合沉积的涂层耐磨寿命最长,为116s。这主要是由于在样品沉积过程中基体随样品架公自转,交替进行弧靶和磁控靶沉积,使得磁控溅射与阴极弧两种技术发挥优势互补作用,制备的涂层呈现出特有的层状致密结构,这种结构有利于提高涂层高载荷下的耐磨性能。(2)针对类金刚石支撑层部分,采用阴极弧与磁控溅射复合技术,对比研究了Cr/CrN多层结构涂层,包括不同Cr/CrN周期多层和Cr/CrN梯度多层,以便摸索最佳支撑层结构方案。通过对涂层表面断面、晶体结构、成分、硬度、膜基结合力、残余应力和摩擦学性能的表征,发现不同调制多层结构影响着Cr/CrN涂层的晶体结构及残余应力状态,进而影响其力学性能和支撑能力。不同周期Cr/CrN涂层的膜基结合力、硬度和耐磨性能等均随着调制层数目减少而增强,相对于Cr/CrN周期结构多层,梯度Cr/CrN涂层具有最高的硬度,维氏硬度972Hv和纳米硬度27.8GPa(微米硬度为2N载荷下测试),结合力高达62N,在100N载荷下与WC球对磨,其磨损率最低,为32.54×10-6mm3/Nm。梯度结构Cr/CrN涂层由于在制备过程中以100sccm/step的方式逐渐增加氮气流量,使得涂层内形成成分连续变化和硬度连续变化,涂层硬度和应力之间具有良好的匹配,使得其具有最优耐磨性能和最佳支撑能力。梯度结构Cr/CrN涂层是可用于具有高承载能力的碳基复合涂层承载层的最佳选择。(3)在最佳结构支撑层(梯度结构Cr/CrN支撑层)基础上,利用阴极弧、磁控溅射和分解C2H2气体的化学气相沉积技术,制备具有过渡层、承载层和减磨顶层的类金刚石涂层,其涂层结构为Cr/(Cr/CrN梯度层)/CrCN/CrC/Cr-DLC,顶层Cr-DLC中金属Cr的梯度掺杂量可通过调节弧靶电流控制弧靶中毒速度实现。通过对比发现弧靶电流为120A制备的涂层综合性能最好,硬度高达36.5GPa,结合力为52N,涂层内sp3键含量最高；而对具有不同结构支撑层的Cr-DLC复合涂层进行球盘方式摩擦磨损测试,于干摩擦下与WC球对磨3600转(测试载荷为100N),具有梯度支撑层的Cr-DLC复合涂层磨痕深度最浅(为7.241μm),磨损率最低,为13.8×10-7mm3/Nm,相对于无CrN支撑层的Cr-DLC复合涂层其耐磨性能提高了近10倍。基于功能梯度过渡、梯度掺杂的多层膜成膜思想,采用阴极弧与磁控溅射复合技术,通过优化承载层(Cr/CrN)与润滑层(DLC)结构方案,制备出具有梯度多层结构的Cr-DLC复合涂层,厚度大于13.5μm,在高载荷下表现出很好的应用前景。