作为“国之重器”的盾构机是城市轨道交通施工必备的重大装备。盾构刀具是盾构机掘进施工的“牙齿”,由硬质合金同高韧性钢基体通过钎焊技术连接构成。硬质合金由于尺度大钎焊性能差,影响钎焊接头可靠性,服役过程中出现盾构刀头过早开裂、崩刃、掉齿的情况,降低了盾构刀具工作效率,极大影响施工进度。当前盾构刀具的检测、维护时间占整个建设周期的3%～20%,用于更换盾构刀具的相关费用占总施工费用的25%左右。因此,通过钎缝形貌、组织及结构设计,开展盾构刀具硬质合金钎缝可靠性研究,探索提高硬质合金焊接性及钎缝强度的解决方案,对优化国产化刀具性能,延长盾构机工作寿命,降低盾构工程掘进成本具有非常重要的工程意义。首先引入钎缝形貌设计概念。采用激光加工技术对硬质合金进行表面毛化处理,增强润湿性,并去除表面游离态碳、氧化物等杂质。试验发现,毛化凹坑增大液态钎料在硬质合金表面铺展面积,减小硬质合金表面润湿角,改变了钎缝形貌。以圆柱形凹坑为例,分别根据Wenzel、Cassie、Cassie-Baxter润湿模型,推导确定了润湿角大小与凹坑的分布密度及钎料填充状态之间的内在关系。通过建立毛化凹坑模型,实现了硬质合金比表面积增量计算。结合对钎缝凹坑相受力分析,阐明了激光毛化处理对提高硬质合金/钎缝界面连接强度的作用机制。剪切试验结果显示,断口位置位于钎缝而非硬质合金/钎缝连接界面,表明激光毛化作用显著。其次采用电沉积技术,率先实现硬质合金表面Co-Ni涂层的混合镀敷,进行钎缝结构及组织设计。结合涂层生长过程,记录分析了镀敷时间对涂层形貌、厚度、成分以及镀速的影响。通过观察钎焊接头显微形貌,发现钎缝中固溶强化相α-Cu(s.s)含量增多。结合Daken-Gurry组元交互作用强度理论,揭示分析了涂层元素对钎缝强度、钎缝界面连接强度的强化机理。剪切试验结果表明,涂层厚度制约接头可靠性。镀敷时间超过20min后,涂层过厚诱发内应力,涂层与硬质合金有剥离倾向。最后分别采用片状白铜(CuZnNi)、片状可伐合金(FeNiCo)以及网状304不锈钢材料作为中间层,进行硬质合金钎缝结构及组织优化设计。试验研究了片状中间层厚度及钎焊温度对钎焊接头可靠性影响,分析了中间层元素对钎缝强度及母材/钎缝界面连接强度的强化机理,分析了片状中间层对缓释热应力的作用,阐明了网状中间层与钎缝孔隙相降低钎缝热应力的协同作用机理。剪切试验结果表明,可伐合金与304不锈钢网作中间层可以显著提升接头剪切强度,剪切断口位于钎缝;白铜作中间层对接头剪切强度提升效果不明显,剪切断口位于钎缝/中间层连接界面处。