为研究单晶硅超精密切削特性, 采用纳米压痕仪配合Berkovich金刚石压头对单晶硅<100>晶面进行纳米压痕与纳米划痕实验。纳米压痕实验分别以10、30 和50 mN载荷将压头压入单晶硅表面, 发现30 mN载荷下载荷-位移曲线产生微小波动, 而在50 mN载荷下发生“pop-out”现象, 说明材料此时有突然的应力变化并有脆性破坏发生, 预测了单晶硅脆塑转变的临界载荷略小于30 mN。开展变载荷纳米划痕实验, 用0~100 mN的载荷刻划单晶硅表面, 根据载荷-位移曲线观察到单晶硅在变载荷刻划中分为弹塑性去除和脆性去除阶段。弹塑性去除阶段, 载荷-位移曲线波动平稳, 而脆性去除阶段曲线波动较大, 得到单晶硅脆塑转变的临界载荷为27 mN, 临界深度为392 nm。通过恒载荷纳米划痕实验, 在塑性加工域内分别以5、10和20 mN的恒载荷刻划单晶硅表面, 并通过扫描电子显微镜(SEM)观察恒载荷划痕后的单晶硅表面形貌, 分析刻划数据发现切削力和弹性回复率随着载荷的增加而增大, 摩擦系数则先增大后减小。因此单晶硅超精密切削加工应选择合理的载荷, 并充分考虑弹性回复的影响。

为提高传统激光熔覆涂层中的组织性能和整体质量，采用空载式超声振动辅助设备制备涂层。在45钢表面制备304L+La2O3涂层，分析研究了熔覆层的显微组织、物相组成、显微硬度和摩擦磨损性能。结果表明：超声振动产生的空化效应以及声流作用能够使涂层晶粒更加细小，改善组织性能。施加超声后熔覆层硬度平均为758.2 HV，比无超声工艺提高了7.4%，摩擦因数和磨损量分别降低了6.5%和12.9%。

利用热丝化学气相沉积法(HFCVD)在碳化硅基底上制备金刚石薄膜, 采用场发射扫描电子显微镜、拉曼光谱仪、原子力显微镜研究了在不同甲烷浓度条件下制备的金刚石薄膜表面形貌及物相组成, 在干摩擦条件下通过往复式摩擦磨损实验测试并计算了已制备金刚石薄膜的摩擦系数和磨损率, 结合物相分析及摩擦磨损实验结果分析了甲烷浓度的改变对金刚石薄膜摩擦磨损性能的影响。结果表明, 由于甲烷气体含量的升高, 金刚石薄膜结晶质量下降, 薄膜由微米晶向纳米晶转变。摩擦磨损实验结果显示: 3%甲烷浓度条件下制备的金刚石薄膜耐磨性较好, 磨损率为2.2×10-7 mm3/mN;5%甲烷浓度条件下制备的金刚石薄膜摩擦系数最低(0.032), 磨损率为5.7×10-7 mm3/mN, 制备的金刚石薄膜的耐磨损性能相比于碳化硅基底(磨损率为9.89×10-5 mm3/mN)提升了两个数量级, 显著提高了碳化硅基底的耐磨性。

为提升45钢轴类零件的使用寿命，本文开展了Ni60AA涂层激光熔覆工艺参数优化研究。采用多道螺旋搭接工艺路径开展轴面熔覆工艺试验，即在45钢轴面上制备Ni60AA合金熔覆层。基于单一变量法分别对激光功率、送粉速率、轴转速这3个工艺参数开展多道单因素熔覆试验，并以熔覆层厚度、稀释率、显微硬度为涂层质量评价指标初选工艺参数。基于单因素试验进一步开展三因素三水平正交试验，利用权矩阵分析法对熔覆工艺参数进行多目标综合优化，并对优化后熔覆层的显微组织和硬度进行分析。同时，在不同温度下对熔覆层进行摩擦磨损试验，分析了熔覆层的摩擦因数、磨损率及磨痕形貌，验证了工艺优化方案的可行性。送粉速率对考察指标的综合影响最大，激光功率的综合影响次之，轴转速的综合影响最小；最优工艺参数为激光功率1400 W，送粉速率16.3 g/min，轴转速2.3 r/min。熔覆层厚度及显微硬度较工艺优化前分别提升了3.49%和2.8%。当试验温度为35，80，125 ℃时，熔覆层的平均摩擦因数比基体45钢分别低28.5%、21.1%、11.8%，磨损率比基体45钢分别低87.6%、86.6%、80.9%。对激光熔覆工艺参数进行优化可以获得成型质量较好、硬度和耐磨性显著提升的Ni60AA熔覆层。

金属与金属配副的滑动导轨具有刚度高、承载力强等优点, 但该类型导轨存在摩擦系数大、响应速度慢的缺点, 严重限制了该型导轨的使用范围。根据仿生学原理使用激光微织构技术在金属滑动导轨副表面加工出有序排列的微凹坑以改善导轨的摩擦学性能。通过Matlab仿真验证微凹坑造型对减少摩擦副摩擦力的作用, 并在40Cr盘试样端面加工规则、有序排列的微凹坑, 与HT200销试样配副, 在Rtec摩擦磨损试验机上开展导轨的摩擦特性试验研究。仿真和实验结果表明, 微凹坑不仅可以改善导轨的储油情况, 还可以产生动压润滑效应, 有效地降低金属配副滑动导轨的摩擦系数, 实验中最大摩擦系数可降低72%。

利用激光熔覆技术, 在钛合金基体表面制备Ni/Ti涂层和Ni/Ti-Al2O3涂层, 用显微硬度计和多功能摩擦磨损试验机分别对涂层的显微硬度分布情况和涂层的摩擦磨损性能进行了测试。结果表明, Ni/Ti涂层、Ni/Ti-10%Al2O3涂层和Ni/Ti-20%Al2O3涂层硬度平均值达到720、760 HV0.1和800 HV0.1, 使基体硬度提高了一倍多。涂层的摩擦磨损试验表明, 摩擦过程中存在跑合期、平缓增长期、快速增长期和平稳期四个阶段, 涂层的磨损量要低于基体的磨损量, 而摩擦系数要高于基体的摩擦系数。

应用摩擦磨损试验机进行摩擦磨损实验并对实验前后零件称重以分析其在不同条件下摩擦系数和磨损率的变化；对零件实验前后表面组织和形貌采用金相显微镜和扫描电子显微镜分别进行观察以研究其磨损机理。结果表明，在干摩擦、氯化钠（NaCl）和人工唾液润滑条件下，SLM成型件正面的磨损率比铸造件分别低27.92%、21.15%和19.03%，比侧面分别低26.97%、10.88%和14.97%；SLM成型件与铸造件相比，表面组织更加均匀，基本无孔洞；在干摩擦下表现为磨粒磨损，在NaCl及人工唾液润滑条件下主要表现为磨粒磨损和疲劳磨损。这些结论为SLM成型CoCrMo合金在医学植入体方面的应用提供了依据。

采用激光喷丸在球墨铸铁QT600表面加工出具有不同凹坑中心距的微凹坑造型阵列，研究了激光微造型对其表面摩擦磨损性能的影响。仪器测试结果表明，相比于未造型试样，激光喷丸在球墨铸铁表面引入有益的残余压应力，磨损量明显降低，干摩擦条件下降幅达7.9%。微造型试样在干摩擦条件下的表面摩擦系数明显提高，增幅最大可达12.9%，而湿摩擦条件下则明显降低，降幅最高可达11.8%；同时微造型试样表面磨损程度明显轻于未造型试样表面，氧化物也明显减少。

为了研究规则分布的表面形貌对轮轨接触在混合润滑状态下摩擦系数的影响，设计了3种不同的表面纹理：横纹、纵纹、菱形。用确定性模型取代平均流量模型，对膜厚、压力、接触面积比进行了数值计算，总的接触载荷由流体接触区和固体接触区分别分担，总的摩擦力等于流体区的摩擦力和固体接触区摩擦力之和。根据设计的3 种表面纹理，用YAG 激光对车轮钢试样表面进行激光毛化处理，获得这3种表面纹理，在RSW-2摩擦磨损试验机上进行油介质条件下的混合润滑摩擦学实验，模拟轮轨间有油污时的工况，测量了该条件下各种表面纹理下的摩擦系数，并与未作激光毛化处理的表面进行对比。理论和实验结果显示，在油介质混合润滑条件下，有激光表面纹理的摩擦系数远大于未作激光毛化处理的试样表面的摩擦系数。3 种激光表面纹理中，菱形纹理的摩擦系数大于纵纹和横纹的摩擦系数，纵纹的摩擦系数比横纹略大。因此，在油污条件下使用激光毛化的菱形纹理表面能较显著地提高轮轨间的摩擦系数。