本文构建了Co 质量分数分别为6%、8%、10%和12%的WC-Co/SiC/Diamond金刚石涂层硬质合金界面模型, 利用分子动力学方法模拟了不同沉积温度对其界面结合强度的影响, 从黏附功及键长分布两个方面进行具体分析。黏附功分析结果表明, 与其他三种Co含量界面模型相比, WC-6%Co/SiC/Diamond界面模型在七个沉积温度下所包含的两种界面的黏附功值均为最高值, 并且在不同沉积温度下, WC-6%Co/SiC/Diamond界面模型所包含的WC-6%Co/SiC界面、SiC/Diamond界面的黏附功分别在1 123、1 173 K时最大, 为2.468、5.394 J/m2。键长分布概率分析结果表明, 与其他三种Co含量界面模型相比, 在任一沉积温度下, WC-6%Co/SiC/Diamond界面模型各界面处键长分布范围的最大值较小, 且在1 123 K时在WC-6%Co基体上沉积SiC中间层, 在1 173 K时在SiC中间层上沉积Diamond涂层后, 该界面模型界面处的键长最短, 键能最大, 界面结合性能最好。

在WC粒径0.7～0.8 μm、质量分数91.5%～92.0%的Co-WC二元硬质合金上进行了恒定单脉冲能量下，不同填充间距和加工次数的皮秒脉冲激光加工工艺试验研究，发现在小于光斑宽度的填充间隔尺寸范围内，填充间隔增大，加工面呈现表面粗糙度降低的光整加工效果；填充间距减小，激光对材料的蚀除效果增加；加工次数越多，材料去除深度越大；加工次数持续增加，材料表面钝化失活，激光的蚀除作用减弱；通过对激光加工区域的残余应力检测，发现皮秒激光加工对硬质合金表面残余应力影响不明显；对硬质合金钻头副切削刃口进行脉冲激光刃口修磨，去除了砂轮修磨残留的微观缺口，获得了更好的刃口质量和前刀面表面质量。

通过混合不同粒径、不同比例WC颗粒的纯Co粉末，在不同工艺装备和参数下进行激光熔覆试验及结果检测，证明大芯径、大光斑的半导体激光更适用于金属基硬质合金熔覆。通过降低光斑能量集中度，降低输入功率，减小热输入，增大WC颗粒粒径，降低WC颗粒的热敏感度，能有效抑制WC熔解和分解，减小熔覆层气孔数量和尺寸。采用基材预热或全Ar气保护可降低熔覆层的开裂倾向。全Ar气保护条件下，采用输入功率800 W、扫描速度4 mm/s、送粉率11 Hz参数组，或基材预热400～450 ℃条件下，采用输入功率800 W、扫描速度7 mm/s、送粉率11 Hz参数组，均获得了WC质量分数60%、无开裂、低气孔率的大面积WC-Co激光熔覆硬质合金涂层。

为了研究不同微织构形貌对刀具表面涂层性能的影响, 利用光纤激光在其表面制备了不同面积占有率的毛化和沟槽微织构形貌, 并利用PVD磁控溅射镀膜技术对织构化的试样表面进行TiAlN涂层的沉积。采用Nanofocus共聚焦显微镜检测涂层前后的织构形貌; 应用AMH-61显微硬度计检测试样表面的显微硬度; 采用D8 ADVANCE型X射线衍射仪检测织构化涂层表面的残余应力; 采用Rtec MFT-5000型表面性能试验机对涂层表面进行划痕试验, 表征涂/基结合力。结果表明: 一定面积占有率的毛化形貌有利于提高涂层显微硬度, 沟槽形貌对涂层显微硬度有较小的削弱作用, 面积占有率对其影响不大。两种织构形貌均能减小涂层内部残余应力, 残余应力下降幅度与织构面积占有率呈正相关。一定面积占有率的织构有利于增强涂层结合强度, 毛化相比沟槽更有效, 结合力最高可提升19.2%。两种微织构形貌有效提高了刀具表面涂层性能。

采用波长800 nm的飞秒激光对硬质合金YG6表面进行多脉冲加工, 利用光学显微镜测量微凹坑损伤形貌及损伤直径, 研究了飞秒激光在不同能量密度和脉冲数下硬质合金YG6的损伤阈值和损伤直径的变化规律及其损伤机制.试验结果表明: 硬质合金YG6的多脉冲损伤阈值随着脉冲数增加而降低, 呈现明显的累积效应.试验得到了多脉冲飞秒激光加工YG6的损伤阈值、损伤直径与脉冲数及中心能量密度的定量关系, YG6多脉冲损伤阈值主要与脉冲数相关, 由单脉冲损伤阈值和累积系数共同决定, 试验得到YG6单脉冲损伤阈值为1.14±0.06 J/cm2, 累积系数为0.84±0.02.损伤直径主要与光束中心能量密度和脉冲数相关, 由光束束腰半径, 单脉冲损伤阈值和累积系数共同决定.试验采用多组平均功率和脉冲数对YG6进行烧蚀, 验证了单脉冲损伤阈值和累积系数的可靠性.

采用波长为800 nm的飞秒激光在硬质合金YG6表面加工出微凹坑形貌, 分别测量了微凹坑的形貌参数和表面接触角, 从而获得最佳加工参数, 分析了微凹坑形状、分布密度和单个面积对表面接触角的影响。基于Wenzel模型和Cassie模型的中间状态理论, 分析了微凹坑形状对表面接触角的影响机理。结果表明：当平均功率低于200 mW时, 微凹坑表面形貌较好, 微凹坑深度与扫描次数呈线性关系; 微凹坑表面接触角随着微凹坑分布密度的增大而减小, 随着单个微凹坑面积的增大而增大。不同形状微凹坑的浸润性优劣顺序依次为正三角形、正方形、正六边形、圆形。

利用激光熔覆增材制造技术制备了宏观形貌良好、组织致密均匀、无气孔和裂纹的WC/Co50/Al硬质合金涂层刀具。研究结果表明, 刀具熔覆层由WC、W2C、Al2O3、Co3W3C、固溶体CoCr和(Co,Ni,Fe,Cr)2Si等物相组成; 涂层表面的硬质WC大颗粒包覆在粘接相Co50中, 部分熔化和分解的WC小颗粒形成了固溶体; 切削过程中, 轴向切削力和径向切削力相对稳定, 切向切削力波动较大; 激光熔覆硬质合金刀具产生的切向切削力和切削热均高于YG8硬质合金刀具的, 但经前者加工处理后的工件的摩擦系数和表面粗糙度均小于后者的。

基于激光加热辅助切削和超声椭圆振动切削提出了激光超声复合切削加工工艺。采用聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具对YG10硬质合金进行了常规切削，超声椭圆振动切削，激光加热辅助切削和激光超声复合切削对比试验。检测了刀具磨损量、刀具磨损形貌、工件表面粗糙度以及工件表面形貌，并通过扫描电镜(SEM)对刀具磨损区域进行了能谱分析，同时研究了激光超声复合切削硬质合金时PCBN刀具的磨损及其对工件表面质量的影响。最后，与常规切削、超声振动切削及激光加热辅助切削进行了对比试验。结果表明: 激光超声复合切削时刀具使用寿命显著增加，加工后的工件表面粗糙度平均值分别降低了79%、60%和64%，且工件表面更加平整光滑。激光超声复合切削硬质合金时，PCBN刀具的前刀面磨损表现为平滑且均匀的月牙洼磨损，后刀面磨损表现为较窄的三角形磨损带和较浅的凹坑和划痕; 刀具的失效机理主要为黏接磨损、氧化磨损和磨粒磨损的综合作用。

为了探究激光毛化技术在硬质合金材料表面实现微织构的应用潜能，采用单因素分析法，在YG6X硬质合金刀片表面进行了激光毛化工艺试验研究，获得了直径约270μm，高度约6μm的火山口形貌的微织构。结果表明，激光脉冲宽度、抽运电压、气体压力对毛化微织构形貌有着显著影响，脉冲宽度和抽运电压会较大地增大织构尺寸，气体压力显著减小织构高度约43%；硬质合金激光毛化微织构易出现微裂纹，由中心延伸至周边；组织中材料分布不均，中间有大块孔洞与空腔，但与基体有着紧密的结合强度。