材料表面涂镀技术是众多材料表面技术当中的一种，通过使用先进的镀膜与涂层技术在材料表面上涂镀各种优异性能的涂镀层来达到提高材料抵御环境的能力和获得具有优异性能产品的目的[3]。材料表面涂镀技术应用于切削刀具制造领域，就是在切削刀具表面涂敷上一层硬质薄膜，通过使刀具的耐磨能力提高而变相提高使用寿命。

二十世纪以来，高速切削和干式切削得到了蓬勃发展与大量的应用，源于其超高的加工效率，以及生态环保的加工环境。与此同时也对刀具涂层也被提出了更加苛刻的要求：高硬度、高耐磨性、高抗氧化性、强附着力和低摩擦系数等。这些要求以现在的涂层技术非常难以被满足，例如，目前使用广泛的TiN涂层，其硬度约为23GPa，抗氧化温度不足550℃[4-5]，而使用抗氧化性较好的TiAlN涂层(硬度约为32GPa)的抗氧化温度也低于900℃[6]，然而在切削加工过程中，刀具刃口的温度一般接近于1000℃。因此，制造技术行业迫切的需要能够同时具有高抗氧化性，高硬度的优质涂层，我们的研究者们也在向这个方向而努力。

1.2纳米多层膜的研究进展

1.2.1纳米多层膜

图1-1纳米多层膜调制结构示意图

Fig.1-1NanoMultilayerFilmModulationStructure

纳米多层是通过以纳米厚度交替沉积两种或更多种材料形成的多层膜[7]。如图1-1所示，对于由两种材料A和B形成的纳米多层膜，相邻两层的厚度之和称为调制周期Λ=lA+lB；其厚度比称为调制比R=lA∶l[8]。在多层膜的制备过程中，调制比与调制周期可任意改变，当调制周期比各调制层的晶格常数大几倍或者更长时，可称这种多层膜为一维超晶格薄膜或简称为“超晶格”薄膜[9]。图1-1是两种不同成分层组成的超晶格薄膜的示意图。多层膜被认为是一种可人为操控的周期结构，这样我们就可以调整其中的位错与晶界等控制其硬度，韧性，弹性模量等有价值的性质。

多层膜可以形成十分复杂的结构，因为单个调制层可以为不同种类的单晶相，多晶相和非晶相。由于纳米层之间存在超模效应和超硬度效应，复合界面的存在使其出现在机械，电，磁和光场等领域中并且表现出了与组成多层膜的单层相结构性质完全不同的性质。

1.2.2纳米多层膜的分类

从薄膜材料种类角度可将纳米多层膜分为金属/金属、金属/氮化物、氮化物/氮化物纳米多层膜；从晶体结构角度分为单晶/单晶、多晶/多晶、非晶/多晶、非晶/非晶纳米多层膜；从界面结构角度可分为同结构共格界面、异结构共格界面、非共格界面纳米多层膜等。

(1)金属/金属体系：

金属/金属体系多层膜相较于其他体系而言是最简单和最便于研究者研究的一种体系，其在结构与制备，设计上均较为便捷，常被用来研究生长方式，力学性能等，亦或是与其他种类多层膜进行性能对比[10]。在1977年，Yang等[11]第一次发现了Koehler理论(即所谓的超模效应)对Au-Ni和Cu-Pd纳米多层膜的影响，具体表现为模量的异常升高。1978年，Lehoczy[12]使用真空制备法制备Al-Cu多层膜，当调制周期140nm时，多层膜的力学性能显著提高，分别为通过混合计算法则得出的Al和Cu的值的4.3倍和2.5-3.5倍。相应的实验说明了如果在X/Y多层膜中X与Y的位错线能量相差很大而弹性模量相差不大时，其硬度将高于X或Y中任意一个。

(2)金属/氮化物体系：因为金属与氮化物的宏观性质与微观结构都大相径庭，位错线无法穿过二者组成的多层膜的晶面而硬度会因此而增加。其中塑性部分由金属涂层提供，相应的硬度部分由氮化物涂层提高[13]。长期以来，关于Ti/TiN多层膜的一系列报道充实着多层膜研究领域，而由于各种原因，得出相同结论的研究者十分稀少，大部分关于力学性能的研究结论都有所偏差甚至大相径庭，包括在何种调制周期何时取得何种最佳性能等。相关文献[14,15]记载：6-10nm调制周期的Ti/TiN多层膜比起TiN薄膜硬度显著增加且能观察到一个最大硬度峰值；Daia等人[16]用磁控溅射制备了Ti/TiN多层膜，发现在2.5-20nm调制周期内，硬度与调制周期呈明显的反比关系，调制周期在2.5nm到5nm范围内多层膜硬度超过混合硬度计算值，同时在2.5nm时取到最大硬度(混合法则1.7倍)，且硬度H和Λ的关系完美契合Hall-Petch理论[17]。