钛合金因具有比强度高、耐热性好、低密度等良好的力学性能,被广泛的应用于航天航空、汽车工业、医疗卫生等行业,已成为不可或缺的工程材料。然而,钛合金因其低热导率、低弹性模量、高硬度等特性是典型的难加工材料,这会导致切削加工时刀具磨损严重,加工效率低。刀具涂层,是采用物理气相沉积的方法在刀具上沉积一定厚度的膜层,可以提高刀具使用寿命,降低切削成本。然而,目前商业化涂层刀具普遍存在膜基结合力差、摩擦系数大、涂层材料和钛合金的化学亲和性强等问题,尤其在高速或干切削时会产生大量切削热使刀具性能恶化,严重时会出现崩刃现象。因此,急需开发出结合力大、耐磨性好、摩擦系数低、抗粘结反应的刀具涂层,以满足市场需要。针对钛合金切削时涂层易脱落、摩擦系数大、化学亲和性高的问题,本文采用磁控溅射方法,研究减亲和与自润滑功能复合对TiAlN基涂层微结构与性能的影响,揭示复合涂层刀具切削性能提高的机理。首先是层生长自润滑涂层,通过TiAlN与WS在不同调制周期下层生长来提高涂层膜基结合力、降低摩擦系数;其次,通过Ta成分梯度设计和减亲和与自润滑功能复合提高涂层的综合力学性能;最后,在立铣刀上沉积功能复合涂层,进行钛合金切削实验,阐明钛合金切削性能与涂层微结构的关系。主要结论如下:研究了层生长TiAlN/WS涂层的调制周期对自润滑涂层微结构和性能的影响。随着调制周期的改变,均在基底表面上形成光滑致密的多层涂层,表面粗糙度在6.5 nm以下。自润滑涂层摩擦系数为0.261,相比与单层TiAlN涂层摩擦性能提高了82%。在往复摩擦过程中WS层形成了转移膜,并且以锯齿状形式剥落的碎屑融入到划痕之中,降低了摩擦副与涂层表面的磨损,提升涂层的耐磨性。涂层膜基结合力超过125 N。研究了 Ta成分梯度设计和减亲和TaO与自润滑WS功能复合对TiAlTaN涂层结构和性能的影响。Ta含量增加到0.31时,涂层的表面形貌由片层转变为球状。同时,硬度提高至30 GPa,摩擦系数降低至0.288。由于TaO、WS功能复合时在摩擦时形成转移膜,使涂层具有较低的摩擦系数。减亲和与自润滑功能复合涂层摩擦系数分别降低至0.280和0.102。同时功能复合涂层具有较高的膜基结合力,超过120 N。研究了功能复合涂层的钛合金切削性能及其磨损机理。切削结果表明,不同的切削条件对涂层刀具使用寿命有很大影响。在低速湿切削时,梯度TiAlTaN/TaO减亲和复合涂层刀具切削寿命较好,比无涂层刀具提高60%,比商业化涂层刀具提高33%。主要是TaO层与钛合金的低亲和性降低了刀具的磨损。TiAlN/WS自润滑涂层刀具相比于TiAlN涂层刀具寿命提高200%。在干切削时,由于大量的摩擦热无法向外界传递而加剧刀具磨损,出现了崩刃现象。