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刀具涂层技术作为一种优质表面改性技术，对刀具性能的提升起到至关重要的作用。TiAlN涂层作为硬质耐磨涂层之一，在切削刀具表面已得到广泛应用。然而，其热稳定性及抗氧化性能尚未能满足现代高速、干式切削技术发展的需求。CrAlN涂层因具备更高硬度、高耐磨及高温抗氧化性能等优点，成为最具潜力替代TiAlN刀具涂层的材料之一，但其广泛应用仍受到以下问题所限制:1）随着Al固溶度增大，CrAlN涂层将由面心立方(fcc)结构转变为六方(hcp)结构，进而导致其力学性能下降;2）当温度高于900℃时，CrAlN涂层因热稳定性降低而产生热分解，导致其力学性能下降;3）CrAlN涂层的高温抗氧化性能仍有提升的空间以满足现代高速、干式切削温度的需求。基于此，本文以改善CrAlN刀具涂层的热稳定性及抗氧化性能为目的，采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法深入系统地研究了CrAlN涂层的相结构稳定性、热分解机制、抗氧化性能及其元素掺杂效应。具体研究结论如下: (1)对于CrAlN涂层而言，随着Al固溶浓度增大，fcc-Cr1-xAlxN晶胞逐渐收缩，其晶格畸变程度却先增大后减小;当Al浓度x为0.5～0.75时，fcc-Cr1-xAlxN晶格畸变较为严重，为析出密排六方(hcp)结构的AlN化合物提供了源动力;随着Al固溶浓度增大，fcc-Cr1-xAlxN相结构稳定性逐渐降低，且其极易按fcc-Cr1-xAlxN→fcc-CrN+hcp-AlN→hcp-Cr2N+N2+hcp-AlN→Cr+N2的路径进行分解;Al固溶致使fcc-Cr1-xAlxN相结构稳定性降低的内在原因在于Al固溶使得fcc-Cr1-xAlxN的Cr-N间共价键作用减弱。 (2)在明确CrAlN涂层相结构稳定性及热分解机制基础上，进一步研究了元素M(M=V、Ti、Nb、Ta、Mo、Zr、W)掺杂对其微观结构、相结构稳定性及其热分解性能的影响及规律。结果表明，元素M均倾向于取代CrAlN中的Cr原子;元素掺杂后，所形成涂层均产生了不同程度的晶格膨胀;其中，V、Nb、Ta、Mo掺杂有利于提高涂层的相结构稳定性，而Zr、W则呈相反趋势;基于掺杂涂层沿fcc-CrMAlN→fcc-CrMN+hcp-AlN路径发生热分解的反应焓计算表明，V、Nb、Ta、Mo、W元素掺杂有助于提高涂层的热稳定性。 (3)为探索CrAlN涂层的高温氧化机理，以改善其抗氧化性能，进一步系统研究了具有fcc结构的CrN、CrAlN及CrMAlN涂层与O2的微观反应行为。结果表明，O2在CrN、CrAlN、CrMAlN涂层表面均可自发分解，但分解后的O-O间距离不同。对于CrN涂层而言，O2分解后O-O间距离最大，表明CrN涂层易于氧化;而对于CrAlN涂层而言，O2分解后O-O间距离较短，表示Al元素掺杂有利于提高CrN涂层的抗氧化性能;当第四元素掺杂后，O2在CrMAlN表面分解后O-O间的距离较CrN与CrAlN均缩短，且其按照V、Ti、Nb、Ta、Mo、W、Zr的顺序逐渐减小，表明元素掺杂可进一步提高CrAlN涂层的抗氧化性能。