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TiAlN是一种生产工艺成熟、加工性能优异，且极具代表性的硬质耐磨涂层，在切削刀具表面的应用非常广泛。相对于传统的TiN等金属氮化物涂层，TiAlN涂层最突出的特点是其在高速切削和高温氧化条件下表现出来的优异摩擦学性能，国内、外研究者们对此特别关注，并做了大量的相关研究，但其中的机理性研究尚不充分，且结论的可重复性不高。弄清TiAlN涂层在高温氧化、负载条件下的磨损机理，不仅可以给TiAlN涂层生产工艺优化和涂层产品质量提高提供指导，而且对深化涂层摩擦学理论基础也具有重要意义。
本文运用多弧离子镀(MAIP)沉积工艺，在商业化设备中分别制备了中、高Al含量的两种TiAIN涂层（即Ti0.46Al0.54N和Ti0.34Al0.66N）。通过CSM纳米力学和涂层高温摩擦学测试系统，针对上述涂层在室温～1000℃区间内的摩擦学行为进行了系统的测试。采用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、电子能谱仪(EDS)、电子探针显微分析仪(EPMA)、X射线衍射仪(XRD)、俄歇电子能谱仪(AES)、X射线光电子能谱仪(XPS)等多种先进表征手段对测试结果展开深入分析。从结构、成分、力学性能、摩擦性能、磨损机理等多个角度全面地讨论了测试温度对涂层的影响；找出了这两种TiAlN涂层在高温条件下的氧化行为和磨损行为的内在机制及相互联系。最后，在上述研究的基础上对高Al系列TiAlN涂层进行了尝试性的退火改性处理，并对相应的涂层刀具进行了实际切削加工测试。主要研究结论如下：
1．中铝涂层（Ti0.46Al0.54N）为Bl-NaCl结构，在(200)方向择优生长，晶粒尺寸约26nm，截面为柱状结构；测试范围内，温度升高会引发涂层轻微的应力释放，但不会导致晶粒长大。温度升高引起涂层氧化加剧，Al原子外扩散导致涂层表面形成双层结构的氧化膜。应力释放和氧化膜增厚共同导致涂层表面硬度和弹性模量的降低；涂层与基体的结合强度受高温影响不大，划痕测试失效模式主要表现为塑性磨损破坏。由于氧化膜的隔离和润滑作用，涂层的高温摩擦系数低于常温摩擦系数。中铝涂层常温磨损机制主要为磨粒磨损，磨损率很高；200℃～800℃，涂层表面生成了以非晶态Al2O3为主要成分的氧化膜，起到了防护与润滑的作用，主要磨损机制转变氧化层的轻微塑性磨损，涂层磨损率降低近一个数量级；1000℃时，TiO2等Ti系氧化物的大量生成导致氧化膜失去保护作用，磨损机制变为重度氧化磨损，磨损率增大。
2．高铝涂层(Ti0.34Al0.66N)也为Bl-NaCl结构，只有(200)单一取向，晶粒尺寸仅有6～7nm，截面平滑、无柱状结构；测试范围内，温度升高对其结构几乎没有任何影响。涂层表面氧化膜的厚度、连续性、致密性均随测试温度的升高而不同程度地增大；更高的Al含量有利于形成更致密的非晶Al2O3层，故防护性更好。高铝涂层表面纳米硬度随测试温度升高而降低，主要原因是氧化膜的生成和增厚；受“反Hall-Petch”效应影响，高铝涂层晶粒虽小，但硬度更低；涂层弹性模量随测试温度的升高，先减小后增大；高铝涂层结合强度受测试温度的影响不大，临界载荷低于中铝涂层，划痕测试失效模式也以塑性磨损破坏为主。高铝涂层常温摩擦系数与中铝涂层接近，主要磨损机制也为磨粒磨损，磨损率约是中铝涂层的2倍；高铝涂层的高温摩擦系数很高，这主要是硬度和弹性模量减小导致的粘着机制强化，其高温磨损机制为轻度粘着磨损，磨损率很低；800℃时，高铝涂层磨损机制向塑性变形磨损过渡，磨损率逐渐增大；1000℃时，高铝涂层表面氧化膜仍以Al2O3为主，推测在更高温度下，高铝涂层的抗氧化磨损性能优于中铝涂层。
3.700℃退火2h，高铝涂层开始发生调幅分解，析出的亚稳相c-AlN/c-TiN与母相c-TiAlN形成了纳米复合结构，时效硬化机制引起涂层硬度的增大；900℃退火的高铝涂层，其硬度达到最大值～30.58GPa;退火温度达到1100℃以上，稳定态h-AlN大量生成，涂层晶粒迅速长大，导致涂层硬度急剧降低。随退火温度的升高，热应力增大，涂层与基体的结合强度下降，划痕失效模式变为为结合力破坏。涂层常温摩擦系数受退火温度影响很小，主要磨损机制仍为磨粒磨损，结果表明，适当的退火温度能降低涂层的磨损率。从实际切削测试结果看，退火处理可以提高高铝涂层铣刀的加工性能，但需合理选择退火温度，其它处理参数也有待进一步优化和调整。