随着我国资源开采、海洋勘探、航空航天等技术密集型产业飞速发展,各种超耐热、耐磨损、耐腐蚀合金以及碳纤维等难切削材料如雨后春笋。涂层刀具作为一种高端切削工具,行业内使用率超过50%。但因切削工况恶劣,涂层刀具存在涂/基热膨胀系数差异、涂层内部残余应力等问题,导致涂/基结合差,切削过程中涂层易发生开裂、脱落等失效现象,使涂层刀具寿命和加工质量严重降低。针对这一技术难题,本文采用激光微织构技术,在刀具基体表面置入织构,再制备表面涂层,以增强涂/基结合强度,提升涂层刀具耐磨性能。同时,发挥刀具表面织构的减摩脱粘作用,协同提升涂层刀具的切削性能。本文主要研究内容如下。(1)根据刀具涂层制备过程与涂层结合机制,阐述了基体表面置入微织构形貌可以为涂层引入机械锚固作用的依据;分析了刀具涂层的主要失效原因,是由于涂层内部残余应力过大,使涂/基结合界面处出现裂纹和翘曲等失效特征,并说明了界面结合形貌与激光加工对涂层内部残余应力的释放和调控作用;结合金属切削理论,分析了织构对刀-屑接触长度的影响;结合硬质合金涂层刀具常用工况下的磨损形式,提出了基体表面织构的方案。(2)利用UG NX软件建立了普通刀具、毛化刀具和沟槽刀具的三维模型,导入DEFORM-3D软件中添加涂层、划分网格和设置参数后,进行了切削仿真,对比了三种涂层刀具的切削力、切削温度、磨损形态和磨损深度分布。结果表明:相比普通涂层刀具,涂层织构刀具的切削力及切削温度最高可降低24.15%和9.36%,基体表面置入沟槽与毛化织构,可有效降低涂层刀具前刀面的磨损量,且最大磨损深度的分布与织构形貌相关。(3)为探究加工参数与织构成形形貌之间的关系,开展了激光微织构工艺试验,单因素变量考察了不同工艺参数,对毛化及沟槽形貌几何参数的影响规律;通过毛化区域的物化分析,阐述了凹凸复合形貌的成形机理以及激光脉冲对材料流动的影响。针对目前缺少能够主动控制沟槽截面轮廓的激光加工方法,基于“仿形加工”原理,提出了一种沟槽织构激光加工新方法——并列成形法,通过设置单元沟槽的初始间距,调整单元沟槽的分布规律,从而改变烧蚀区域的重叠率,最终实现不同的加工余量来获得相应的沟槽深度,使沟槽内部轮廓尽可能平滑过渡,便于涂层沉积。通过织构质量评价和形貌尺寸考察,优选出了织构形貌尺寸及对应的激光工艺参数。(4)制备了毛化和沟槽两种形貌不同面积占有率的织构化硬质合金试样,利用PVD技术沉积TiAlN涂层,对比了不同织构涂层前后微观形貌,验证了涂层对织构形貌的“复映”效果;根据涂层划痕失效特征,分析了涂层与织构化基体的结合机理,和基体表面布置织构形貌和分布特征的选择依据,同时说明了沟槽具备一定程度的抑制涂层失效延展的功能。根据检测结果,对不同织构表面涂层的显微硬度、残余应力及结合强度等力学性能进行了表征。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%,织构密度过大反而均会降低涂层结合强度。(5)根据上述研究结果,采用激光微织构技术和PVD技术,制备了TiAlN无织构涂层刀具、沟槽织构涂层刀具和毛化织构涂层刀具三种刀具试样,通过Inconel 718镍基合金高速车削试验研究了基体表面织构对涂层刀具切削力、切削温度和磨损形态的影响。结果表明:基体表面置入织构可以提升涂层刀具切削性能,使前刀面磨损面积减小。通过对微织构作用机理分析,揭示了沟槽和毛化两种形貌对涂层刀具性能作用效果的区别,沟槽减小了刀-屑接触面积,更有利于降低了切削力和切削温度,毛化形貌产生了机械锚固作用,以及对涂层残余应力具有调控效果,更有利增强涂层刀具的耐磨性能。