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现代制造业的快速发展对加工效率要求越来越高,难加工材料应用越来越广泛,对刀具性能提出挑战。涂层刀具结合了硬质涂层高耐磨性、优异抗氧化性以及基体强韧性等优点,提高了刀具的切削性能,改善了加工质量并降低了加工成本。AlCrN涂层具有优异的抗高温氧化性和较好的韧性,是切削刀具常用的涂层材料。然而,由于硬度较低且高温红硬性较差,无法满足加工高硬度难加工材料的需求。AlTiSiN涂层具有优异超硬特性和高温红硬性,但抗高温氧化性差不能满足加工难加工材料的需求。本论文结合AlCrN涂层优异高温氧化性和AlTiSiN涂层超硬特性,通过多层结构优化设计,制备兼具超硬特性和优异高温性能的刀具涂层。首先在沉积过程中优化基体偏压和氮气流量制备AlCrN和AlTiSiN涂层,然后利用基体旋转的方法制备AlCrN/AlTiSiN纳米多层涂层。系统研究了基体偏压、氮气流量、调制周期和调制比对多层涂层的组织结构、力学性能等的影响,并对比分析了 AlCrN、AlTiSiN、AlCrN/AlTiSiN涂层刀具的切削性能。获得的主要研究成果如下:(1)纳米多层涂层组织结构和性能受氮气流量、基体偏压和多层调制结构影响,通过多层结构设计和优化,有效的提高了刀具涂层的硬度、抗高温氧化性和高温组织稳定性,AlCrN/AlTiSiN多层涂层获得了比单层涂层更高的硬度,800-1000℃下更优的抗氧化性能和高温组织结构稳定性。(2)研究了 AlCrN、AlTiSiN 和 AlCrN/AlTiSiN 涂层在 25℃、500℃ 和 800℃ 下的高温摩擦磨损性能。在三种温度条件下,AlCrN/AlTiSiN纳米多层涂层的摩擦系数最小,磨损率也最低。800℃下AlCrN/AlTiSiN纳米多层涂层磨痕轨迹光滑,而AlCrN和AlTiSiN涂层发生了严重的粘结磨损和氧化磨损。(3)对比了硬质合金刀具、AlCrN涂层刀具、AlTiSiN涂层刀具和AlCrN/AlTiSiN纳米多层涂层刀具的切削性能。在切削淬硬钢SKD11和钛合金Ti6A14V时,AlCrN/AlTiSiN纳米多层涂层刀具表现出最优异的切削性能,获得了最好的表面质量。切削淬硬钢SKD11时,AlCrN/AlTiSiN多层涂层刀具的切削寿命分别是硬质合金刀具、AlCrN和AlTiSiN涂层刀具的4倍、2.8倍和2倍;切削钛合金Ti6A14V时,切削寿命分别是硬质合金刀具、AlCrN和AlTiSiN涂层刀具的3.7倍、2.0倍和1.6倍。(4)分析了 AlCrN/AlTiSiN纳米多层刀具涂层的磨损机理。AlCrN/AlTiSiN多层涂层刀具抗磨性好,得益于以下几方面:纳米多层结构优化设计,提高了涂层硬度、增强了涂层耐磨性;抗高温氧化性好、热稳定性高,提高了刀具高温力学性能;增强了涂层的抗粘结性,提高了刀具抗粘结磨损能力;同时,在涂层刀具切削过程中,多层结构设计增强了涂层的抗剥落能力,进一步提高了刀具的切削寿命。