针对医用植入体材料锆基金属玻璃在应用中存在的生物兼容性问题,采用纳秒激光在金属玻璃试样表面诱导产生点阵和沟槽两种微纳结构,然后采用细胞活性测试、细胞分布和形态观察评价两种微纳结构对锆基金属玻璃生物兼容性的改善效果,并从表面形貌方面讨论激光表面改性对生物兼容性的改善机理。结果表明:相对于原始试样,激光诱导产生的沟槽结构能够显著增强成骨细胞在试样表面的黏附性和细胞活性,这主要归功于显著增加的表面粗糙度;点阵结构对细胞活性的改善效果不理想。除此之外,在沟槽试样表面,激光诱导产生的沟槽以及在沟槽内附着的微纳结构是成骨细胞在沟槽内部或附近沿着沟槽方向分布的主要原因。

采用不同能量空间分布的激光对TC11钛合金进行了表面处理,通过X射线测试获得了试件经激光冲击后残余应力的分布规律。结果表明,在相同的工艺参数下,高斯分布激光处理的钛合金表面残余应力为-636.71 MPa,压应力影响层深度为1187 μm;平顶分布激光处理的分别为-559.20 MPa和811 μm。通过理论推算得到高斯分布激光产生的冲击波峰值压力是平顶分布的1.55倍。

为了在不影响柱状晶组织的前提下改善DZ17G定向凝固合金的力学性能, 采用微激光冲击强化方法进行表面处理, 通过X射线衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜和显微硬度计, 测试分析微激光冲击对DZ17G定向凝固合金表面完整性的影响。试验结果表明：在水下无吸收保护层微激光冲击处理后, 合金表面发生了烧蚀、熔融, 1次冲击后形成光滑熔融区, 但随着冲击次数增加而形成了大量微小烧蚀孔洞和难熔颗粒; 表层组织仍由γ和γ′两相组成, 柱状晶内形成了高密度位错和位错缠结, 但未发生晶粒细化; 硬度在深度上呈梯度分布, 冲击1次后硬化层深度仅为100 μm, 表面硬度值达到503 HV, 提高了22.7%, 而且硬度值和硬化层深度都随着冲击次数增加而增大。

激光冲击强化是一种有效提高材料疲劳强度的表面处理技术。针对K24镍基高温合金模拟叶片特点, 文中提出采用无保护层激光冲击强化进行表面处理。同时采用X射线衍射、显微硬度计表征了不同参数冲击下材料截面残余应力和显微硬度变化规律, 并利用高周振动疲劳试验验证其强化效果。结果表明: 无保护层激光冲击强化处理后在材料表层形成一定数值的残余压应力, 冲击1、3、5次后表面残余应力分别为-428、-595、-675 MPa, 影响深度分别约为110、150、160 μm; 显微硬度冲击一次后提升了29.2%, 影响深度约为60 μm。采用不等应力冲击后K24镍基合金模拟叶片疲劳强度由原始试件的282 MPa提高到327 MPa, 提高了16%。

基于Johnson-Cook(J-C)本构模型，提出了基于有限元模型和修正Levenberg-Marquard(L-M)算法的参数辨识方法。对TC17材料进行不同参数、不同工艺的激光冲击，得到了高应变率条件下的残余应力场分布；利用霍普金森压杆得到了中应变率条件下TC17材料的动态响应曲线；将上述两个测试结果作为辨识目标。引入低应变率条件下材料的响应曲线作为约束条件，辨识得到了TC17钛合金高应变率条件下的J-C本构模型参数。实验和计算结果对比验证表明，辨识得到的参数能比较准确地描述TC17钛合金材料高应变率条件下的动态响应规律，并预测激光冲击条件下材料的残余应力场分布。

采用激光冲击强化(LSP)技术对TC4钛合金试件进行表面处理，利用空气炮试验系统对试件边缘进行外物冲击模拟，对外物打伤(FOD)试件进行拉-拉疲劳试验。结果表明，激光冲击强化有效提高了外物打伤TC4钛合金试件的疲劳强度；未强化试件疲劳裂纹源萌生在缺口根部靠近上表面的位置，强化试件的裂纹源萌生位置在材料内部，与缺口根部有一段距离，且裂纹萌生难度增大。数值应力分析结果表明，强化后试件凹坑的最大拉应力值为668.90 MPa，比强化前的1076.21 MPa减小了37.85%；强化后试件凹坑中心的残余拉应力比强化前平均减小了350 MPa；加载拉应力后，强化前后试件凹坑最大应力分别增大到1542.36 MPa和1124.37 MPa，强化后比强化前试件应力减小了30.22%，说明压应力对裂纹的萌生有明显的延缓作用。残余压应力的引入是激光冲击强化提高打伤试件疲劳强度的主要原因之一。

对渗铝、渗铝后强化、强化后渗铝的K417合金试件分别进行振动疲劳试验。试验结果表明，相对于渗铝处理，强化后渗铝试样的疲劳强度提高了50%，而渗铝后强化试样的疲劳强度提高了30%，这说明渗铝与激光喷丸强化复合工艺可以提高材料的疲劳性能，且强化后渗铝效果更好。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)分析激光喷丸强化与渗铝复合工艺顺序对材料力学性能的影响，讨论了疲劳性能的改善机理。结果表明，激光喷丸强化促进了渗铝过程，生成大量柱状晶，渗层厚度增加，渗层与基体的结合更加紧密，从而有效提升疲劳性能；而渗铝后强化主要对渗层表面进行了形变强化，疲劳性能的提升有限。

利用ABAQUS有限元软件进行了单个圆形高斯光斑的激光冲击强化数值模拟,分析材料表面光斑中心区域形成的“残余应力洞”现象,并通过分析材料的动态力学响应特征揭示了“残余应力洞”的形成机制。结果表明：在冲击波加载时,光斑边界处会产生很强的剪切应力,形成向四周传播的表面稀疏波和向材料内部传播的剪切波。当稀疏波同时传播到光斑中心,发生相遇、汇聚,使材料产生急剧的上下位移过程,造成冲击波加载塑性变形后的二次塑性变形。二次塑性变形中形成了较大的剪切塑性应变,并降低了冲击波加载阶段产生的轴向和径向塑性应变,使残余压应力降低,从而形成“残余应力洞”。

为了提高12CrNi3A钢渗碳层质量及其抗磨损性能，提出了激光冲击与渗碳不同顺序复合的工艺方法。球磨实验结果表明，相比渗碳处理，激光冲击后渗碳试样的比磨损率降低了51%，而渗碳后激光冲击强化试样的比磨损率降低了13%，说明激光冲击后渗碳的复合工艺能更好地改善抗磨损性能。在摩擦系数差别不大的情况下，抗磨损性能的提升与显微硬度提高、微观组织变化有关，从这两方面讨论抗磨损性能提升的机理。研究表明:激光冲击强化可促进渗碳的过程，强化后渗碳形成的渗碳层结构致密，大量细小碳化物形成，固溶强化、第二相强化作用增强，显微硬度增大，从而提高抗磨损性能；而渗碳后激光冲击强化只使渗层表面发生了形变强化，与渗碳工艺相比，显微硬度略有提高，抗磨损性能提高有限。

对TC11钛合金标准疲劳试件进行激光喷丸处理，利用高周振动疲劳试验验证强化效果，通过断口观察分析疲劳机理，再从微观组织、残余应力和显微硬度等方面分析激光喷丸提高TC11钛合金疲劳性能的强化机制。试验结果表明，强化后疲劳试件的疲劳极限由483 MPa提高到593 MPa；强化试件的裂纹源位于次表层深0.2 mm处，平坦区扩大，快速扩展区产生大量二次裂纹和排列紧密的疲劳条带。表层发生较高程度细化，形成尺寸为40~80 nm的纳米晶；并引入高数值残余压应力，表面残余应力达-591.5 MPa，其塑性变形层深度达1 mm，且表面硬度提高19%。TC11钛合金标准疲劳试件强化后疲劳强度提高主要是因为高程度组织细化和高数值残余压应力的综合作用，进而阻碍裂纹萌生和降低扩展速率。