硬质涂层技术是指通过在材料表面涂覆高硬度HV大于20GPa、耐磨性好、化学性能稳定、耐高温薄层的技术,能有效的使材料表面的硬度、耐磨性与抗冲击韧性、抗弯强度得到提高是机械加工行业中表面增强最为重要的技术手段,涂层刀具与未涂层刀具相比高韧性和高强度兼备；能显著降低摩擦系数,提高耐磨性和抗粘结性,具有耐热性和热韧性,高化学稳定性,良好的耐热冲击和抗氧化性能承受更高的切削热,扩大干切削的应用范围减少切削液对环境的影响。目前已开发出TiCN、ZrN、A1lO3、CrN、C3N4等硬涂层(维氏硬度介于20～40GPa)及金刚石涂层,立方氮化硼(c-BN)、氮化碳涂层(β-C3N4和CNX)等超硬涂层(维氏硬度达到40GPa以上)材料,还有WS2、WC/C、MoS2(摩擦系数0.01左右)等自润滑软涂层材料。随着汽车制造、模具工业、地质钻探、纺织工业、航空航天、重机等现代机械工业的发展以及人们环保意识的不断增强,加工技术正朝着高效率、高精度、高可靠性、长寿命、绿色制造的方向发展,对刀具涂层技术提出了更高的要求。常规TiN、TiAlN等涂层已不能满足工业发展的需求。多元、多层、纳米复合结构超硬涂层技术是近年来国内外涂层领域研究开发的热点,未来纳米涂层应用前景将会非常广泛。正是在这种背景下,本文介绍了硬质涂层和超硬涂层的分类及主流的研究趋势,并简要介绍了当前被广泛接受的薄膜生长理论以及离子镀硬质膜技术的沉积手段最新进展和展望,介绍基本的涂层测试表征方法,结合具体的实例对二元、多元及纳米多层超晶格和纳米复合涂层做了详细的研究。试验部分：采用自行设计的加装了阳极层离子源的工业化多弧离子镀膜机,加装了能有效去除硬质合金表面污染物的阳极层Ar+等离子体刻蚀离子源,超声波清洗和喷砂前处理技术可以起到基底表面光洁和钝化的效果能显著增强膜基附着力。将“氮化钛基纳米复合涂层的制备、表征和性能研究”作为研究方向,进行了涂层制备、纳米结构分析、性能研究和应用的系统性工作,工作主要从以下三个方面展开：(1)硬质涂层材料氮化钛(TiN)是最早开发并广泛应用的,其优点是与金属亲和力小,韧性比较好,应用温度可以达到500℃,适于切削易于粘在前刀面上的材料和钢材材料。但耐氧化性较差、硬度较低不能满足现代金属切削工业对涂层的技术要求；硼化物TiBN涂层是基于TiN和TiB2发展起来的多元涂层,是最具有吸引力和发展前景的涂层之一,TiB2涂层硬度可以达到6700Hv的超高硬度,仅次于金刚石,这种涂层具有高硬度的同时也保持了良好的韧性及高电导性,硼化物的惰性很强,其化学稳定性,耐腐蚀性和抗氧化能力强,同时涂层加工过程中可以通过硼元素的扩散形成BN,B2N3等自润滑成分使得耐磨损性强；在本工作以TiBN为基础,采用自行设计的工业化多弧离子镀膜机,采用电弧离子镀技术在Si(111)和衬底上YT14硬质合金制备出不同调制周期的TiBN/TiN纳米多层涂层,TiBN/TiN纳米多层涂层为(111)择优取向,从透视电镜可以看出TiBN/TiN纳米多层涂层由纳米尺度的TiBN层和TiN层交替叠加而成,但界面混乱不清晰没有形成共格生长的超晶格结构,调制周期从12nm逐渐减小到1.9nm,在基片转速为12rpm时调制周期为1.9nm时涂层获得最大硬度值为31.2GPa,当TiBN/TiN涂层与硬质合金球对磨时摩擦系数都位于0.49～0.58之间,低于相同制备条件下的单层涂层,然后尝试与高耐氧化性和耐粘连CrN复合,采用金属Cr靶和TiB2合金靶在不同基片转速条件下制备调制周期从4.2nm至22.5nm的TiBN/CrN纳米多层涂层,探讨共格生长界面与择优取向对TiBN/CrN纳米多层膜的影响,XRD显示涂层为面心立方(111)、(200)、(220)取向的多晶。HRTEM显示涂层由TiBN纳米层和CrN纳米层交替而成,周期均一、双层界面清晰锐利。在基片转速为3rpm,调制周期为11.7nm的条件下TiBN/CrN纳米多层涂层最高硬度为34.5GPa弹性模量为421GPa,此时在fcc-CrN层(200)生长面模板作用下,非晶的TiBN层形成共格外界面的延生长并形成清晰锐利双层界面,涂层为拥有(200)面择优取向面心立方结构的纳米多层涂层。TiBN/CrN纳米多层涂层高于CrN和TiBN单一涂层的硬度,同时由于表层TiBN层的原因,摩擦系数也小于CrN,涂层涂层与硬质合金球WC-Co球对磨摩擦系数为0.324,磨损率仅为4.0× 10-17 m3/Nm。接着,在成功制备了TiBN/CrN纳米多层涂层的基础上进一步研究TiBN层与CrN层沉积厚度比对涂层性能的影响,控制靶电流的大小在相同转速下使TiBN层与CrN层沉积厚度比从1：3减少至1：6,涂层的硬度从32GPa升高到38.6GPa,这是因为在调制周期为11.7nm时改变非晶态TiBN层厚度会使破坏TiBN与CrN形成的清晰锐利双层界面,其硬度和弹性模量会降低,此外TiBN/CrN多层涂层表现出耐磨性。(2)硬质涂层的功能失效一般都是从表面和涂层脱附开始的,表面形貌上的大细小的针孔状孔洞、应力破损条纹崩裂、大的金属溶滴颗粒以及拉应力产生的微裂纹都是造成涂层失效的原因,因此增强膜基附着力、提高硬质薄膜表面光洁度和致密度是改善涂层性能的首选。碳氮化钛(TiCN)在有色金属切削领域有广阔的应用前景,碳氮化钛(TiCN)是通过向TiN涂层中加入C元素多元合金化制备而成,由于C元素的引入,涂层的硬度(HV3000-4000)、抗氧化性能和抗粘结能力得到提高,表面粗糙度、摩擦系数小,氮碳化钛(TiCN)应用温度可以达到500℃,由于涂层硬度高内应力比较少,涂层韧性高可以在增加涂层厚度的同时阻止裂纹的扩散,在实验中尝试在氮碳化钛(TiCN)中添加硼B元素进一步强化涂层的显微结构改善其性能,增加其耐磨性和抗氧化性,提高涂层的硬度同时降低表面粗糙度；首先采用一台阴极电弧离子镀系统,使用纯TiB2靶材,在不同乙炔流量下制备了TiBCN涂层,涂层为TiN、TiC、TiB2、Ti2B5、CNX、BNx和共存的多相物,在低C2H2气环境下(N2流量恒定345sccm)涂层为(101)面择优取向的TiB2,N2通入后优先与Ti结合形成TiN, C2H2流量的增加会使涂层TiB2(101)面衍射增强,同时出现Ti2B5(103)；在较高的乙炔流量下,涂层中的C元素并没有完全形成C3N4,游离态逐渐C增多。在较低C2H2流量下制备的TiBCN纳米复合涂层其结构为100nm左右的非晶包裹50-100nm左右的纳米晶,随着C2H2流量的增加纳米晶变小10nm左右,非晶包裹区域变大100-200nm从而导致硬度降低,同时摩擦系数变小；TiBCN涂层表面平滑、颗粒度小,最小的均方根粗糙度仅为7.58nm,C2H2流量为50sccm时涂层获得最大硬度24.65GPa摩擦系数为0.261。(3)最后,采用气体硅源(SiH4)在不同流量N2条件下成功合成了TiSiBN涂层,实验采用阴极电弧离子镀技术,利用纯TiB2靶,采用硅烷(SiHH4)为气源,在不同N2流量含量下制备了TiSiBN纳米复合涂层；探讨不同氮气流量对TiSiBN涂层生长、结构、力学性能和摩擦学性能的影响。TiSiBN纳米复合涂层中Si3N4以非晶形态存在于涂层中。涂层在不同氮气流量下形成了厚度不一样的非晶层包裹不同尺寸大小的纳米晶的纳米复合结构,涂层中的N2含量随N2流量的上升而增加,N2流量对涂层性能有很大影响；随N2流量由20sccm增大到300sccm,涂层硬度先增大后减小,N2流量为80sccm时涂层获得最大值44.6GPa,弹性模量为552.8GPa。(4)纳米涂层材料的本征硬度反映了材料抵抗弹塑性变形的能力；不但与材料的内禀性硬度即电子原子结构有关也与材料的微结构特征和晶体取向有关；本文尝试从热力学以及晶体位错堆积的角度对硬质和超硬涂层进行理论解释。