钛合金具有高强轻质和耐腐蚀等优异性能,已经成为关键的工程材料之一,在航空、交通、化工及生物等领域有着广泛的应用前景。然而,钛合金具有的高温强度高、热导率低和化学亲和性高等特点导致其切削加工困难、效率低、成本高。刀具涂层技术为解决上述切削加工问题提供了一条有效途径。该技术是在刀具基体表面涂覆一层或多层耐磨损、耐高温和抗氧化性好的涂层。然而,目前商业化的刀具涂层切削钛合金时仍存在耐磨性差、易氧化、粘刀严重等问题,尤其是在高速切削加工时,急剧增加的热量会迅速恶化涂层刀具性能,加重粘结磨损。因此,需要针对钛合金高速切削加工特点开发具有高耐磨性、高抗氧化性以及低粘结活性的高性能刀具涂层,以满足钛合金高速切削加工的需求。本文采用磁控溅射的方法,研究成分、结构设计和功能复合对TiAlN基纳米刀具涂层结构和性能的影响,揭示钛合金高速切削性能提高的机理。首先是成分设计,通过在TiAlN涂层中添加Si、Ta、Cr等元素来提高涂层的力学和抗氧化性能;其次是结构设计,主要是将不同成分的涂层进行梯度化和多层化,以提高涂层的综合力学性能;最后是功能复合,结合实验与模拟确定一种与钛合金反应活性低的功能涂层,将其沉积到TiAlN基纳米涂层上形成功能复合涂层。同时,对上述三类涂层进行钛合金切削实验,揭示钛合金高速切削性能提高与结构控制的关系。获得了如下主要结论:采用成分设计的方法,研究了添加Si、Ta、Cr对TiAlN基纳米涂层的结构、力学性能和抗氧化性能的影响。研究结果表明添加Si元素后会形成非晶Si3N4包裹纳米晶的纳米复合结构,可以消除柱状结构,降低表面粗糙度,提高涂层的硬度。但是,过高的Si含量会降低涂层的硬度。添加Ta和Cr元素提高了涂层的抗氧化性能和力学性能。其中,Ta元素抑制了 α-Ti02到γ-TiO2相转变时产生的裂纹和气孔,从而提高了涂层的抗氧化性能。但是,当Ta含量达到Ti0.31Al0.32Ta0.37N时,对α-TiO2相生成的抑制作用减弱,抗氧化性能降低。添加Cr元素一方面抑制了六方AlN相的生成,另一方面在涂层表面形成一层致密而稳定的Cr2O3扩散阻挡层,阻止涂层内部的进一步氧化。钛合金切削结果表明,相对于未涂层硬质合金刀具的磨损量,TiAlCrN涂层的磨损量减少约50%,TiAlTaN涂层减少约20%,而TiAlSiN涂层,由于硬度高、脆性大,切削性能较差。采用结构设计的方法,研究了梯度和多层结构对TiAlN基纳米涂层的结合力和韧性的影响。发现梯度结构设计的TiAlSiN涂层可在保持70%以上硬度值的情况下,使涂层结合力提高约300%,达到100N以上。多层结构可以抑制涂层内部的裂纹扩展,提高涂层的断裂韧性。随着多层调制周期的降低,TiAlN/CrN涂层的断裂韧性呈先增高后降低的趋势。当调制周期厚度为25nm时,涂层有最高的断裂韧性,达到3.6 MPa·m1/2。钛合金切削实验结果显示,梯度结构的TiAlSiN和TiAlTaN涂层的后刀面磨损量比无梯度涂层分别下降了 46%和32%;调制周期厚度为25nm的TiAlN/CrN多层涂层的后刀面磨损量比单层TiAlN涂层的下降了约33%。采用功能复合的方法对TiAlTaN涂层进行表面功能化,研究了 TaO功能层降低钛合金粘结磨损的机理。发现随着TaO厚度的增加,复合涂层表面致密度增加、粗糙度和摩擦系数降低。在摩擦实验中,TiAlTaN/TaO涂层表面粘结的钛合金的体积比TiAlTaN涂层减少。这是因为TaO和Ti之间的反应结合能为正值,两者之间不容易发生粘结反应。钛合金切削结果显示,150nm厚的TaO功能层使TiAlTaN涂层刀具的切削距离提高3倍。基于上述研究,所制备的梯度G-TiAlTaN/TaO纳米功能复合涂层,在切削长度为547m时,磨损量比山特维克GC1105涂层刀具低约20%。