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本文采用物理气相沉积方法,使用阴极电弧离子镀技术研究、制备一种超硬纳微米多层梯度涂层,即TiAlSiN超硬涂层,与AlTiN涂层进行性能对比。通过能谱仪(EDAX)分析涂层的元素成分;成分扫描以后涂层的物相结构可以通过X射线衍射(XRD)观察得到;需要借助具有高分辨率性质的透射电子显微镜(HRTEM),并和扫描电子显微镜(SEM)共同使用,以此得到涂层表面和断面形貌图像;无损检测仪测量涂层的厚度;纳米压痕机测量涂层的微观硬度和弹性模量;洛氏硬度计测量涂层的膜基结合力;摩擦磨损试验机表征涂层室温下的摩擦磨损性能;并在KIA CENTER V25加工中心上进行了切削实验。主要结论如下:(1)新型纳微米多层梯度涂层工艺制备方法创新,研究适用于产业化超硬涂层的制备工艺。为了增加涂层的层数采用的是交替弧源法,即让4个靶材交替导通并控制导通时间。每沉积一层时,用氩离子进行轰击一次,适当地对新沉积的涂层进行粗化以利于后层涂层的附着。操作简单,可批量生产。(2)实验制备的AlTiN及TiAlSiN涂层厚度分别为2.604μm、2.798μm;扫描电子显微镜观察到AlTiN及TiAlSiN涂层表面均比较平整,没有裂纹和剥落现象,但是存在针孔、凹坑及白色微粒等缺陷,AlTiN涂层与基体截面处具有致密的柱状结构,柱状结构晶粒粗大,晶界少,使得涂层与基体结合力差,从而严重影响涂层的力学性能,而TiAlSiN涂层与基体之间结合较好表现出较好的力学性能;TiAlSiN涂层的结合力满足德国科学技术协会VDI-3198的HF1标准等级,表明其与基体具有良好的结合性。(3)TiAlSiN多层涂层的XRD图谱中可以看出,(Ti,Al)N晶相具有(200)的择优生长取向,Si3N4相为非晶态存在。TiAlSiN涂层中Si含量为5.96at.%,两种涂层中Ti、Al的含量相当,N的含量为33.87at.%;由高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)得到的TiAlSiN多层梯度涂层横截面观测图验证涂层的构造方式;TiAlSiN多层梯度涂层硬度和弹性模量分别为27.731GPa和337.998GPa,具有较好的硬度、韧性和耐磨性。运用模量差理论、交变应力场理论和S.Veprek的非晶包裹纳米晶(nc-TiN/α-Si3N4)模型解释了涂层的致硬机理,其中S.Veprek的非晶包裹纳米晶(nc-TiN/α-Si3N4)模型理论起主导作用。(4)TiAlSiN多层涂层进入稳定状态下的摩擦系数为0.54,磨损体积为2.14×104μm3,磨损率为5.35×105μm3/(N·m),在常温状态下的磨损机制为轻微粘着磨损和磨粒磨损。由切削力及磨损分析可得,TiAlSiN涂层刀具X方向主切削力比AlTiN涂层刀具降低了18.4%,TiAlSiN涂层刀具Y方向进给力比AlTiN涂层刀具降低了 52.9%,TiAlSiN涂层刀具Z方向切深抗力比AlTiN涂层刀具降低了 51.8%,TiAlSiN涂层比AlTiN涂层表现出较好的抵抗磨损的能力。本文设计一种纳微米多层梯度涂层,通过实验手段与理论计算分析其微观形貌,并对其进行摩擦磨损研究,对提升涂层工业应用性有一定的指导意义。