随着现代制造业的迅速发展,各种难加工材料的数量急剧增加,以及干切削、高速切削、以车代磨等新工艺的出现,对切削刀具不断提出新的挑战,传统的刀具已无法满足现有的需求,研发新型高性能涂层刀具势在必行。在各种涂层中,TiB₂薄膜因具有硬度高、耐磨性好、高热稳定性等优点而备受关注,但该薄膜脆性大,易发生开裂,严重限制其在高速切削加工领域的应用,急需对TiB₂薄膜进行增韧处理。国内外现有研究大部分是向TiB₂涂层内掺杂氮元素形成nc-TiN/a-BN纳米复合结构来提高涂层韧性,研究发现即使通入极少量氮气也会形成大量非晶BN相,导致涂层硬度降低、耐磨性差。针对以上问题,本论文采用反向设计法,反应沉积时通入极少量氮气,再通过改变TiB₂靶溅射功率,增加涂层内TiB₂硬质相数量,形成nc-TiB₂/a-BN纳米复合结构涂层,来提高涂层的硬度和韧性。另向Ti-B-N涂层内掺杂Zr元素,可进一步提高Ti-B-N涂层硬度和耐热能力,Zr原子固溶于TiB₂晶格或与N反应形成ZrN硬质相,在高温下还可与O反应形成致密的ZrO₂薄膜,起到热屏障作用。本文采用脉冲直流磁控溅射技术沉积了Ti-B-N涂层和Ti-Zr-B-N涂层,系统研究了TiB₂靶功率、沉积温度和氮气流量等参数对涂层微观结构、力学性能及摩擦性能的影响。主要研究内容如下:1.通过调节TiB₂靶功率,优化Ti-B-N涂层成分和结构,研究发现所有Ti-B-N涂层的结构均匀致密无针孔等缺陷,随着TiB₂靶功率的增加,涂层结构越来越致密;Ti-B-N涂层硬度从1343.6 HV增加至3463 HV,结合力在61N⁸6N之间变化。当TiB₂靶功率为2.4 kw时,Ti-B-N涂层的摩擦系数和磨损率均最低,分别为0.55和2.1×10^-3μm³N^-1μm^-1,耐磨性能最佳。2.研究了不同沉积温度对Ti-B-N涂层的影响,发现随着沉积温度的增加,Ti-B-N涂层表面逐渐光滑致密,涂层的硬度从2855 HV增加到3994 HV,残余应力逐渐下降,从0.9 GPa减少至0.3 GPa。当沉积温度为400℃时,涂层最光滑致密、硬度最高、残余应力最小;当沉积温度为300℃时,涂层摩擦系数和磨损率均最低,分别为0.5和1.1×10^-3μm³N^-1μm^-1。3.系统研究了不同氮气流量对Ti-Zr-B-N涂层结构和性能影响,发现随着氮气流量的增加,涂层结晶度增加;涂层硬度先上升后下降,在1000 HV²200 HV之间变化。当N₂=10sccm时涂层硬度最高约2200 HV,划痕法测试涂层结合强度,临界载荷由34N逐渐增至70N;当N₂=15 sccm时涂层临界载荷最大约70N,磨损率达最低值2.8×10^-3μm³N^-1μm^-1,耐磨性最好。