兼具高硬度、低摩擦、高抗温性、强韧一体的高性能刀具涂层技术,是实现以数控机床为基础的现代制造业的三大核心切削技术之一。阴极真空电弧的金属离化率高、沉积速率快、膜基结合好,采用其制备的氮化物陶瓷基硬质涂层是当前加工铁基体料和轻质难加工材料的典型刀具涂层体系之一。但因电弧产生机制复杂和弧斑运动不规则,宏观大颗粒共沉积严重,导致涂层晶粒粗大、质量差,这使其应用受到严重制约。本论文基于自主设计、研制的高离化率磁控溅射复合受控阴极电弧镀膜装置,通过实验测量、几何仿真与磁场模拟分析,对比研究了受控阴极电弧在有无外加电磁线圈情况下,阴极靶材表面及近表面内的磁场分布、磁感应强度、及其对弧斑运动轨迹的影响规律,并探讨了不同弧流及线圈电流调节下制备的Ti、TiN涂层的表面形貌及大颗粒分布情况。相关结果在理解受控阴极电弧的放电特性基础理论和发展钛基涂层材料关键技术方面都意义重大。首先,我们构建了受控阴极电弧的几何模型,结合优化的COMSOL物理模型,分析了倾斜磁场与弧斑运动的依存关系。基于Matlab脚本,分析了不同弧流及工作气体下,阴极表面的弧斑分布、大小、运动轨迹和运行速率。通过等离子体鞘层模型和带电粒子受力分析,建立了倾斜磁场分布与弧斑运动轨迹之间的关系。结果表明:在较弱的阴极表面永磁磁场下,弧斑做螺旋向内和向外的交替运动,同时还伴随一定的随机运动,增强磁场有利于靶材的均匀刻蚀,从而减少大颗粒的溅射。进一步,引入外加磁场,建立了电磁耦合永磁铁磁场的有限元分析模型,研究了不同线圈电流条件下阴极表面及近表面区域内的磁感应强度分布和线圈电流对电弧光斑运动轨迹的影响。结果表明:阴极表面弧斑的运动行为主要受磁感应强度平行分量和垂直分量的影响,调节线圈电流,可不同平行分量和垂直分量的分布。磁感应强度平行分量越强弧斑旋转速率越快,平行分量最大时弧斑尺寸较小;平行分量为零的区域弧斑无规则运动显著增强,同时弧斑尺寸增加。当磁感应强度垂直分量与平行分量大小相差较小时,弧斑在阴极表面均匀分布,且弧斑尺寸较小;但当垂直分量径向梯度较大时,磁场越强的地方扫描速率越快,弧斑将长时间停留在垂直分量很小的地方作旋转运动。根据弧斑运动行为的分析,进一步调控阴极电弧弧流和线圈电流,研究了其对Ti、TiN两类典型涂层制备与表面形貌的影响。发现随弧流减小,阴极电弧放电减弱,弧斑运动随之发生变化,涂层表面大颗粒减少、粗糙度降低。当调节耦合电磁场的线圈电流至3.5 A时,磁场平行分量和垂直分量大小相差较小,涂层表面大颗粒最少,其中Ti涂层平均粗糙度为103 nm,TiN涂层平均粗糙度为20.2nm,相比未加电磁场时两类涂层的粗糙度降低了约1倍。