随着难加工材料在高端装备中广泛应用,先进制造业对切削刀具的性能提出了更高要求,而涂层技术则可以有效提升刀具整体性能。纳米多层涂层因其优异性能而广泛应用于难加工材料的切削加工中,然而,在实际生产中,发现纳米多层涂层的切削性能存在一定的局限性,不同结构涂层在不同的切削工况下表现出各自的优劣性;而在机理研究中,刀具涂层的性能评价指标及失效机理还不完善,针对“涂层自身、涂层/基体系统、涂层刀具切削性能”三者的研究相对比较脱节,欠缺综合协同的机理研究。因此,提出与切削加工性能密切相关的涂层力学性能表征评价方法,成为发展先进涂层刀具技术领域中的关键点。本文通过研究“微米尺度”的双层TiSiN/TiAlN涂层和“纳米尺度”的多层TiSiN/TiAlN纳米涂层在准静态载荷与动态循环冲击载荷作用下的力学性能及其表界面失效机理,以及其在不同工况下的切削加工性能,逐步揭示了“涂层自身—涂层/基体系统—涂层刀具切削性能”的相互作用机制,进而构建涂层力学性能与其加工性能之间的关联性,以期指导优选出不同结构涂层所适应的切削工况。获得的主要研究成果如下:(1)制备双层TiSiN/TiAl N涂层和多层TiSiN/TiAlN纳米涂层,研究了涂层的抗高温氧化性能与抗热疲劳冲击性能。发现双层涂层与多层纳米涂层的氧化温度分别约为600℃和800℃;在较高次脉冲的热疲劳冲击下双层涂层发生剥落失效,而多层纳米涂层则未剥落,表明多层纳米涂层具备更优异的热学性能。(2)研究了涂层在准静态压痕和划痕作用下的力学性能及失效机理,同时结合数值仿真,构建了涂层内部应力分布模型,分析了其在压痕作用下的三维裂纹扩展机理。结果表明,在压痕中测得双层涂层与多层纳米涂层的硬度分别约为33.2GPa和36.8GPa,并发现多层纳米涂层内的多重界面可起到提高硬度、利于应力释放以及抑制裂纹扩展等作用,因此使其具备更好的抵抗变形失效、应力集中以及裂纹萌生扩展的能力;在划痕中测得双层涂层和多层纳米涂层与金刚石的摩擦系数分别约为0.135和0.104,且多层纳米涂层的内聚力与结合力失效临界载荷分别约为55.518N和114.241N,均高于双层涂层的失效临界载荷,因此表明多层纳米涂层具备更优异的摩擦性能与界面结合性能。(3)根据涂层刀具实际切削工况提出新的涂层动态冲击力学性能测试方法和评价指标,研究了涂层在低频(0.25Hz)、高频(20Hz)、超高频(20kHz)三个频率梯度下的动态循环冲击力学性能与疲劳失效机理。结果表明,多层纳米涂层在低频和高频的循环冲击作用下表现更好的抵抗疲劳断裂能力;但在超高频循环冲击作用下,发现多层纳米涂层在较小冲击力工况下只产生少量裂纹以及具备优异的抗疲劳性能,而在较大冲击力的工况下则发生更严重的剥落失效,表现出较差的抗疲劳性能;此外,对比在准静态与动态冲击作用下的亚表面裂纹扩展,发现涂层在动态载荷下更容易产生严重的裂纹扩展、界面分层、断裂失效等损伤,导致涂层从基体上剥落分离。(4)研究了涂层刀具的切削性能与磨损机理,建立了涂层的力学性能与不同工况下切削性能的关联性。结果表明,铣削钛合金时(断续加工),涂层由于刀具往复切入工件的作用会受到高频循环冲击,其频率约为10–300Hz。涂层刀具的失效形式为涂层发生了磨损、崩碎失效,从而基体失去保护,继而产生月牙洼磨损以及崩刃。此外,多层纳米涂层刀具在不同每齿进给量下都表现出更好的铣削加工性能,这也与涂层在高频循环冲击试验中所表现的抗高频疲劳性能相一致;车削钛合金时(连续加工),由于锯齿状切屑的产生会导致切削力不稳定振动和刀具应力周期性变化,其频率约为10–35kHz,因此涂层会受到超高频循环冲击。涂层刀具的失效形式为涂层发生磨损、崩碎失效,且发现多层纳米涂层刀具在较小进给量下表现出更好的车削加工性能,但在较大进给量下则表现出较差的车削加工性能,这也与涂层在超高频循环冲击试验中所表现的抗超高频疲劳性能相一致。