激光能量场表面热处理是提升金属零件表面性能、延长其使用寿命的重要技术手段之一。近30年来，国内外对该技术展开了大量研究。相较于传统的表面热处理技术，激光能量场表面热处理具有更加高效、精准和清洁的优势。本文首先探讨了激光能量场表面热处理技术的优劣以及模拟过程中温度、流体和相场的多物理场方程，接着综述了激光表面淬火、激光重熔、激光表面合金化、激光熔覆和激光冲击喷丸等5种典型激光能量场表面热处理技术的研究现状，然后根据工程应用需求对改善零件表面耐磨性、耐蚀性和残余应力的研究结果进行了总结，最后展望了激光能量场表面热处理未来潜在的研究方向。

基于数值仿真工具，对某型压力传感器芯体径向脉冲激光焊接过程进行3D建模及仿真分析。模型描述了焊接过程中脉冲激光形成的等效热源，316L不锈钢材料的传热和相变，热影响区形成的瞬态应力场，以及焊接后形成的残余应力。同时，根据多种激光焊接工艺参数组合形成的熔池深度实测数据完成等效热源模型的标定。结果显示：经过标定的等效热源模型熔深计算值与实测值偏差在8%以内；将焊缝残余应力分布计算值与X射线衍射法所得的实测值进行了对比分析，两者结果较为吻合，变化规律一致，偏差值小于15%。验证了激光焊接模型的精度能够满足工艺参数影响规律研究及参数优化的工程需要。

为探究工艺参数、扫描方式、坡口形状对激光增材再制造薄壁件的影响规律，基于ANSYS有限元分析软件，对激光增材再制造316L不锈钢薄壁件的温度场、应力场进行数值模拟分析。结果表明：激光功率、扫描速度过大或过小均会引起残余应力某一分量增大；选用垂直交叉扫描方式可以减小残余应力大小，但可能会引起修复区与基体结合区应力过大，导致裂纹的产生；通过比较两种坡口形状的应力分布，无棱边的坡口形状可以减小结合区的应力集中，并有效减小基板的变形量。最后设计试验，验证不同坡口形状对激光增材再制造试样质量的影响。试验结果表明，弧形相较梯形坡口形状，基材与修复区之间形成了良好的冶金结合，微观组织结构更均匀且硬度也有相应的提升，验证了仿真的正确性。

借助ABAQUS软件建立了微尺度激光冲击强化(micro-scale laser shock peening, μLSP)过程的有限元模型, 对T2纯铜的μLSP过程进行了数值模拟, 分析了μLSP过程中纯铜的位移、塑性应变和等效应力的动态响应情况以及残余应力的分布规律。结果表明, 冲击波作用到纯铜表面后, 极短时间内便可达到纯铜的动态屈服极限。纯铜表面的位移影响区域直径约为激光光斑的2倍, 并在27 ns时达到位移最大值约0.85 μm。随着冲击波压力的加载, 纯铜产生加工硬化, 塑性应变和等效应力的最大值均出现在加载区域内部的近表层处, 分别约为0.062 MPa和297 MPa。μLSP后纯铜表面激光辐照区域主要表现为残余压应力, 最大值约为199 MPa, 影响深度达40 μm。在激光辐照区域表面边缘存在一定的残余拉应力, 产生“残余应力洞”。同时, μLSP工艺试验结果与数值模拟结果基本一致, 从而验证有限元模型的合理性与可靠性。

激光选区熔化（SLM）成形316L不锈钢的内部残余应力是影响成形件力学性能的关键因素之一。考虑到重熔回火效应对残余应力的影响规律，笔者提出了成形件“层间激光重熔”的成形方式，针对性研究了层间重熔对SLM成形件内部残余应力的影响。利用有限元软件Abaqus建立成形过程的三维瞬态仿真模型，模拟了间隔1~10层重熔与未重熔成形件内部残余应力的变化规律，并通过实验研究了间隔2、5、10层重熔与未重熔成形件的内部残余应力、显微组织、表面形貌、抗拉强度、冲击韧性及显微硬度。结果表明：层间激光重熔在重熔层及其相邻层产生的回火效应有利于降低成形件内部的残余应力，使力学性能得到改善。当重熔间隔为2层时，成形件内部残余应力的测量值和模拟值分别较未重熔样件降低了77.1%和70.6%，同时成形件的抗拉强度达到702.99 MPa，相较于未重熔样件提高了6.2%；冲击吸收功达到209.5 J，相较于未重熔样件提高了11.97%；显微硬度达到391.8 HV，相较于未重熔样件提高了6.35%。分析认为，采用层间激光重熔方式可以显著降低成形件内部的残余应力，提高成形件的力学性能。

多激光粉末床熔融（ML-PBF）采用多束激光并行加工，是提高制造效率和大尺寸零件整体化增材制造的有效方法。但不同的激光束实际工作时参数难以保持一致，特别是激光功率会存在偏差，其中多激光搭接区最为关键。笔者通过设置4组差值为10、20、30、40 W的激光功率组合，探究了激光功率对ML-PBF制备的GH3536镍基高温合金搭接区组织和性能的影响。结果表明：成形试样的致密度最高可达99.6%，但搭接激光功率增大不仅会导致致密度降低至99.3%，孔隙率超过0.08%，还会导致γ相的衍射峰向大角度偏移，晶格常数降低。同时，随着搭接激光功率增大，搭接区内的晶粒尺寸由14.57 μm增大至17.23 μm，大角度晶界占比由36.66%上升至55.91%。搭接区内残余应力随着搭接激光功率的增大而先降低后升高，在激光功率相差30 W时降至最低值43.8 MPa。搭接区硬度随着搭接激光功率的增大而降低，由297.3 HV3降低至291.1 HV3。4组激光功率组合下制备的试样的极限抗拉强度在792.9~830.9 MPa范围内，当激光功率相差10 W时强度达到最高值，延伸率为23.7%。增大搭接激光功率会降低ML-PBF的熔凝稳定性并增大温度梯度，进而对搭接区内的微观组织、残余应力以及零件的力学性能产生影响。

该文研究了热双金属带材的兰姆波非线性效应与温度、应力的关系, 建立了非线性超声检测系统, 结合X线衍射(XRD)法确定应力值。将热双金属分别加热到100 ℃、200 ℃和310 ℃,保温1 h后空冷, 对比不同温度对非线性系数的影响, 分析常态和热处理降应力后热双金属的非线性系数和应力值的关系。实验结果表明, 热双金属在常温和经100 ℃、200 ℃加热后的非线性系数基本不变, 而经过310 ℃稳定化热处理降低应力后, 非线性系数明显降低; 验证了热双金属中兰姆波二阶、三阶非线性系数对应力值敏感且随应力增大而增大, 其均可用于表征残余应力状态; 根据应力值与非线性系数的关系得到拟合函数, 并验证了通过拟合函数计算应力的可行性, 这为使用非线性系数评估应力提供了一种参考方法。

Ag基膜系具有在可见到近红外波段最高的反射率，但Ag的环境稳定性较差，易受腐蚀而导致反射率降低。采用离子束辅助电子束蒸发沉积（IAD）方式制备了不同厚度比例的Ta2O5-SiO2纳米胺薄膜，计算出有效折射率和膜层残余应力，选用Ta2O5厚度占比为75%的纳米胺薄膜，进一步设计制备了纳米胺结构保护层Ag基膜系和常规两层式结构保护层Ag基膜系，实现了多波段高反射率目标，并且两种Ag基膜系的残余应力相近。在24 h湿热实验后，纳米胺结构保护层Ag基膜系的反射率红移量小于常规两层式结构保护层Ag基膜系；在144 h湿热实验后，纳米胺结构保护层Ag基膜系表面缺陷腐蚀程度小于常规两层式结构保护层Ag基膜系，结合聚焦离子束制样后利用TEM观察结果，表明纳米胺结构保护层具有更高的致密度，能够为Ag基膜系提供更优良的环境稳定性。

原子气室作为量子仪表的核心部件, 其稳定性和寿命是决定量子仪表长期可靠工作的主要因素。在制备原子气室过程中, 玻璃高温熔接产生的残余应力会影响气室的力学特性及光学性能, 应力过大将导致气室在加工过程中发生炸裂, 并在后期应力释放过程中出现裂纹, 造成气室失效。测量和消除原子气室玻壳残余应力对提高原子气室的寿命和可靠性有重要意义。利用双折射应力测量仪对原子气室玻壳应力分布进行无损测量, 测量结果具有良好的一致性和重复性。经过退火处理后, 5支玻壳的应力最大值、平均值和标准差的平均值降幅分别达到81.35%、75.67%和77.32%, 表明消除应力取得了良好的效果。