單涂層刀具由于基材與涂層兩者的硬度，彈性模量及熱膨脹系數相差較遠，晶格類型也不盡相同，導致殘余應力增加，結合力較弱。在單涂層中加入新的元素（如加入Cr和Y提高抗氧化性，加入Zr、V、B和Hf提高抗磨損性，加入Si提高硬度和抗化學擴散）制備出多元的刀具涂層材料，大大提高了刀具的綜合性能。
　　
　　最常用的多元刀具涂層是TiCN、TiAlN涂層。TiCN涂層兼有TiC和TiN涂層的良好韌性和硬度，它在涂覆過程中可通過連續改變C和N的成份來控制TiCN的性質，并可形成不同成份的梯度結構，降低涂層的內應力，提高韌性，增加涂層厚度，阻止裂紋擴展，減少崩刃。
　　
　　TiCN涂層技術不斷地在發展，九十年代中期，中溫化學氣相沉積(MT-CVD)新技術的出現，使CVD技術發生了革命性變革。MT-CVD技術是以有機物乙腈(CH3CN)作為主要反應氣體，在700℃以下生成TiCN涂層。這種TiCN涂層方法有效控制了很脆的η相(Co3W3C)生成，提高了涂層的耐磨性、抗熱震性及韌性。研究表明：在PVD沉積TiCN涂層時適當增加離子束轟擊也可明顯提高涂層的硬度及耐磨性。近年來，以TiCN為基的四元成分新涂層材料（如TiZrCN、TiAlCN、TiSiCN等）也紛紛出現。
　　
　　TiAlN涂層材料是目前應用最廣泛的高速硬質合金刀具涂層之一，TiAlN有很高的高溫硬度和優良的抗氧化能力，涂層組成由原來的Ti0.75Al0.25N轉化為優先使用的Ti0.5Al0.5N。Ti0.5Al0.5N涂層抗氧化溫度為800℃，在高速加工中表面會產生一層非晶態Al2O3薄膜，對涂層起保護作用。目前人們將研究重點放在對TiAlN涂層的改進上，以滿足應用領域對諸如抗氧化性能、熱穩定性能及熱硬度等需求的不斷提高。目前德國CemeCon公司采用高電離濺射技術(HIS®)獲得先進的TiAlN涂層，涂層與基體有極好的結合力，避免了采用多弧離子鍍技術時蒸發材料在熔融狀態以液滴的形式沉積于工作表面的現象，從而可獲得表面非常光滑平整的涂層。Balzers公司新開發的X.CEED涂層也是一種單層TiAlN涂層，具有優異的紅硬性和抗氧化性，即使在惡劣的條件下，涂層與基體仍具有良好的結合強度。三菱公司的MIRACLE涂層是含Al豐富的（Al,Ti）N涂層，通過大幅提高膜硬度和抗氧化性而實現了對淬火鋼的直接加工。
　　
　　TiBN涂層是基于TiN和TiB2發展起來的多元涂層，它既增強了TiN涂層的硬度，又保持了良好的韌性，避免了BN涂層和TiB2涂層的脆性，涂覆刀具耐磨性及抗腐蝕能力顯著提高，且磨擦系數較低。CHeau等人過濺射Ti-B靶材沉積出的Ti-B-N涂層結合力得以改善，且達到了44GPa的顯微硬度。CemeCon公司開發的TiAlBN涂層，通過硼含量的變化，在加工過程中產生所謂“實時”現象，即通過硼擴散，形成BN、B2N3，從而得到有利于切削加工的潤滑膜層。此外還有日立公司開發的高溫下具有低摩擦系數的TiBON涂層。
　　
　　在TiN中加入Si元素形成TiSiN多元涂層，其抗高溫氧化性較單涂層TiN明顯提高。日本日立公司開發的適用于硬切削的TiSiN涂層具有36GPa的硬度和1100℃的開始氧化溫度，此外日立公司還以Cr代替Ti元素，開發出具有潤滑性，更適合用于鋁、不銹鋼等粘附性強的材料加工的CrSiN涂層以及四元的具有超強耐氧化性的AlCrSiN涂層。
　　
　　Balzers公司另一具有代表性的多元涂層是以Cr元素替代Ti元素的AlCrN涂層，稱為G6，該涂層具有HV3200的顯微硬度，使用溫度可達到1000℃，它的韌性超過鈦基涂層（如TiAlN、TiCN），更適合斷續切削和難加工材料的加工。
　　
　　成都工具研究所開發了我國首創的Ti-C-N-O-Al和Ti-C-N-B兩個系列共三種高性能多元復合涂層，具有優異的復合機械性能和優良的切削性能，主要用于汽車刀具及Hertel系列螺紋梳刀片上。其他的多元涂層材料還有TiMoN，TiCrN，NbCrN，NbZrN等。