随着现代制造业的快速发展,人们对切削刀具、磨具及耐磨零部件的硬度、耐磨性和使用寿命等性能提出了更高的要求。因此,超硬材料逐渐向低密度、低摩擦系数、低成本等方向发展。由于硼化物材料具高硬度和低摩擦系数等特性,在切、磨工具应用上都有着优异的表现。因此,超硬硼化物材料的研究与开发受到了各国研究人员的重视。在硼化物材料中,三元金属硼化物AlMgB14因其具有高硬度、低摩擦系数等优点而备受关注。前人通常采用粉末高温烧结方法制备大块晶体材料并予以使用。近年来,薄膜材料因为具有用量少、可附着在形状复杂的工具表面并能赋予基体新特性等优点,在国民经济的诸多领域中发挥着重要的作用。另一方面,非晶材料通常具有高强度、高韧性和极强的耐腐性能等特点,可在环境复杂及恶劣的条件下稳定工作。因此,制备非晶Al-Mg-B薄膜材料,不仅可以进一步提高该材料的使用性能,还将在三元系金属硼化物(XYB14)的研究和开发方面取得突破性进展。然而,至今缺乏对高性能非晶Al-Mg-B薄膜材料的制备和硬化机理的研究,从而制约了非晶Al-Mg-B薄膜材料性能的提升,影响了该材料的进一步开发与应用。针对这个问题,本论文使用磁控溅射镀膜系统,采用多靶共溅射方法,以提高非晶Al-Mg-B薄膜材料的力学性能为目的,分别对薄膜的制备工艺(溅射功率、沉积温度、沉积气压及负偏压)进行优化,并对影响薄膜性能的关键工艺参数进行分析。研究发现,随硼靶溅射功率的增大,薄膜内硼元素含量逐渐增多,薄膜硬度呈先上升后下降的变化趋势,薄膜摩擦系数却一直在逐渐减小；随着薄膜制备沉积温度和沉积气压的升高,薄膜硬度也随之增大,同时其摩擦系数在逐渐减小；随着负偏压的增大,薄膜硬度呈先上升后下降的变化趋势。在成分优化方面,室温下制备非晶A1-Mg-B薄膜,当硼含量约为93.1at.%时,薄膜具有最高硬度(37.1GPa),此时摩擦系数也仅为0.15。而具有近似晶体成分的Al-Mg-B薄膜其硬度为31.1GPa,与晶体AlMgB14(28GPa)材料相当。对于具有近似晶体成分的Al-Mg-B非晶薄膜,其优化的制备工艺为沉积温度600℃、沉积气压0.9Pa、沉积负偏压80V。在此基础上,应用优化的薄膜制备工艺参数,在YG6X硬质合金刀具(20GPa-30GPa)表面沉积制备非晶Al-Mg-B薄膜,该薄膜与硬质合金具有很好的结合强度。制备的涂层刀具拥有44.6GPa的高硬度和0.11的低摩擦系数。与未涂层刀具相比,其切削性能得到明显提高。在非晶Al-Mg-B薄膜成功制备基础上,本论文对非晶Al-Mg-B材料的硬化机理进行了分析,提出非晶Al-Mg-B薄膜中保留了晶体材料中的B12二十面体的短程有序结构,这个结构对非晶薄膜的硬度有决定性影响。这一结论首先通过第一性原理计算AlMgB14和α-B的维氏硬度,从电子结构角度阐明了B12二十面体是决定AlMgB14材料具有高硬度的主要因素。随后,通过元素掺杂非晶Al-Mg-B薄膜,发现Ti、Si元素掺杂后的非晶Al-Mg-B薄膜仍具有较高的硬度,且B12二十面体依然稳定存在,但Cr、N元素掺杂却阻碍(或破坏)薄膜内B12二十面体的形成及稳定存在,进而降低了薄膜的力学性能。这一结果验证了B12二十面体在非晶薄膜高硬度性质中的作用。基于B12二十面体在非晶薄膜高硬度性质中的作用,通过掺杂选择能够稳定B12二十面体结构的新元素种类,进而应用[团簇](连接原子)结构模型,可以实现开发具有更高性能的新型金属硼化物。本论文研究结果为Al-Mg-B (?)非晶薄膜涂层刀具提供制备工艺参考,还可推动新型硼化物的研究与开发。