随着航空航天事业及现代加工制造业的快速发展,现代加工刀具需要具有高切削速度、高进给量、长寿命和高精度等特性,在刀具表面涂覆硬质涂层是提升加工精度和效率并延长刀具使用寿命的一种有效方法。Zr B₂作为一种过渡金属硼化物,具有高熔点（3245℃）、高硬度（23GPa）、高热导率和低热膨胀系数等独特的性能,适用于极端环境。但是Zr B₂作为防护涂层,脆性很大,结合力较低,容易发生剥落从而限制其推广应用。为进一步增强涂层韧性,本论文以Zr B₂涂层为研究对象,以掺杂改性为主要调控手段,系统研究了不同掺杂元素对涂层组织结构、成分、力学性能和摩擦学性能的影响。研究内容及结论如下:碳（C）掺杂对Zr B₂涂层性能影响的研究。本研究中,通过向Zr B₂中掺入轻原子C构建非晶C包裹纳米晶粒的复合结构,利用大比例两相界面阻挡微裂纹扩展,改善涂层韧性。采用高功率脉冲磁控溅射和脉冲直流磁控溅射复合镀膜技术研制Zr-B-C涂层,反应沉积时保持总压强不变,通过改变乙炔（C₂H₂）流量制备不同C含量的Zr-B-C涂层。研究发现,Zr-B-C涂层中相结构主要由hcp-Zr B₂相组成,随着C含量增加,涂层生长择优取向逐渐由（001）晶面转变为（200）晶面,涂层结晶度也呈现下降趋势。微观组织从明显的柱状晶转变为细小致密的纤维状结构,当C₂H₂流量增大到15sccm时涂层又转变为柱状晶结构。当乙炔流量为10sccm时,Zr-B-C涂层硬度最高约为23GPa,且具有较强的抗裂纹扩展能力。在摩擦实验中发现,乙炔流量为15sccm时,在非晶碳的润滑下涂层的磨损率低至1.9×10^-7mm³/mm·N,经优化,反应沉积时乙炔气体最佳流量为10sccm。真空室内溅射压强可以改变溅射粒子的能量,从而影响涂层的成分、微观结构和力学性能。采用高功率脉冲磁控溅射和脉冲直流磁控溅射技术,调节工作压强制备一系列Zr-B-C涂层。随着溅射压强的增加,由于溅射粒子的平均自由程减小,涂层的沉积速率逐渐升高。在沉积压强为0.5Pa时,涂层具有良好的硬度、韧性、残余应力和耐磨性能,磨损率为5.43×10^-7mm³/mm·N,此时涂层的综合性能最优。氮（N）掺杂对Zr-B-C涂层性能影响的研究。本研究中,通过向Zr-B-C涂层中掺杂N元素,调控制备出非晶BN和非晶C包裹氮化物和二硼化物纳米晶的复合结构涂层,进一步提升涂层性能。采用脉冲直流磁控溅射技术,保持总压强不变,通过改变氮气流量,制备具有不同N含量的Zr-B-C-N涂层。随着N₂流量增加,涂层择优取向由（001）晶面向（223）晶面转变,晶粒尺寸逐渐细化,当N₂流量为10sccm时涂层表面光滑、结构致密。N含量对涂层硬度影响显著,随着N含量的增加,由于涂层中软质相增多,涂层的硬度几乎呈直线式下降。优化出的N₂流量为10sccm,此时涂层具有良好的韧性、膜-基结合强度和耐磨性能,磨损率为2.3×10^-8mm³/mm·N。