以TC4钛合金为研究对象，采用数值模拟与试验相结合的方式，研究了激光冲击TC4钛合金表面金属塑性变形和体积流动规律，分析了塑性变形驱动金属表层体积流动、应力重构、晶粒细化的机制。研究结果表明：激光冲击塑性变形使得光斑中心区域材料向着边缘及材料内部流动。整体塑性变形体积数值计算结果显示：当功率密度为1.58、2.25、3.02 GW/cm²时，表面凹坑体积大致等于内部正向变形体积与表面环状凸起体积之和，在无相变体积改变的情况下，试件整体塑性变形符合体积不变定律；不同激光功率密度作用下的表面残余应力分布与表面塑性变形分布规律大致相同，存在对应关系；表面凹坑变形、环状凸起变形、内部凸起变形各区域粒径尺寸分别为99、108、136 nm，晶粒细化程度在表面凹坑区、环状凸起变形区域、内部正向变形区域依次递减。此外，光斑边缘出现的微凸起变形在受到搭接激光冲击作用后，再次发生塑性变形，微凸起变形在冲击载荷方向被压回，向着材料内部流动；凹坑表面各光斑边缘处依旧存在较小的微凸起变形。

为了研究不同工艺参数对TC4钛合金与连续编织碳纤维增强聚醚醚酮基复合材料（CFPEEK）的激光焊接接头的影响规律，并对焊接工艺窗口进行预测，使用ABAQUS软件建立基于热传导的有限元仿真模型，计算TC4钛合金/CFPEEK激光焊接接头的温度场分布。针对CFPEEK中连续编织碳纤维的实际铺层情况，在建模时对复合材料进行分层处理，将碳纤维层视为正交性质的材料。在此基础上探究了激光功率、焊接速度、光斑尺寸对焊缝熔化深度及宽度的影响规律，计算结果与实际试验结果吻合度较高，激光功率、焊接速度、光斑尺寸等工艺参数均对接头结合处的温度有较大影响。经过多组参数的计算，得到了TC4钛合金/连续编织CFPEEK激光连接的预测工艺窗口。结果表明，所建立的有限元模型能够有效模拟连续编织CFPEEK与TC4钛合金激光连接的温度场分布，对实际试验有一定指导意义，可降低试验成本。

采用脉冲光纤激光器对TC4钛合金表面的环氧锌黄漆层进行了激光清洗试验，研究了激光能量密度和激光清洗速度对清洗效果的影响规律，分析了试样清洗后的表面形貌、表面粗糙度以及物相组成，并测量了清洗后基材表面的维氏硬度。研究结果表明，清洗效果随着激光能量密度的增加或清洗速度的减小而逐渐变好；当激光能量密度为4.00 J/cm²、清洗速度为3 mm/s时，清洗后基材表面的物相成分只有Ti和Ti₆O，没有CaCO₃，说明在此工艺参数下漆层已经完全被去除。彻底去除漆层后的钛合金的表面粗糙度与原始基材表面粗糙度相近，粗糙度为S_a=2.082 μm。清洗后TC4钛合金试样表面的维氏硬度平均值为368.74 HV，相比原始硬度约提高了7.4%。研究结果表明，通过合理选择工艺参数，可以有效去除钛合金表面漆层，并获得较好的表面形貌，同时能提升其表面平均硬度。

采用正交试验，研究在选区激光熔化快速成形的过程中，激光功率P、扫描速度v、铺粉厚度h以及扫描间距s4个参数对TC4钛合金成形件上表面粗糙度、侧面粗糙度和表面硬度的影响规律。研究表明，4个参数对上表面粗糙度影响的重要次序为激光功率、扫描速度、铺粉厚度、扫描间距；对侧面粗糙度影响的重要次序为激光功率、铺粉厚度、扫描速度、扫描间距；对表面硬度影响的重要次序为激光功率、铺粉厚度、扫描间距、扫描速度。试验可得形成TC4成形件表面质量的最佳工艺参数为：激光功率200 W，扫描速度600 m/s,铺粉厚度0.04 mm，扫描间距0.06 mm。

采用选区激光熔化（SLM）工艺成型TC4钛合金，运用双因素控制变量法，从输入体能量密度方面，研究了激光功率P、扫描速度V对多层成型件致密度和表面硬度的影响规律。试验结果表明：当单位体积粉末输入体能量密度φ为119.05～166.67 J/mm3时，成型件致密度可达到96.62 %～97.41 %，表面显微硬度达到415.2～425.4 HV，高于成型前粉末微粒显微硬度335.4 HV。在激光功率P=200 W、扫描速度V=600 mm/s、铺粉厚度H=0.04 mm、扫描间距S=0.06 mm时，成型件致密度达到97.41 %，表面显微硬度达到440.5 HV，成型的钛合金件具有良好的力学性能。

为了提高TC4合金表面的硬度和减磨性、优化工艺参数, 采用多组工艺参数(不同功率、不同TiO2粉末含量)在TC4 板表面制备不同比例的 Fe60-TiO2复合涂层, 分析了熔覆层宏观形貌、表面维氏硬度和减磨性。结果表明, 当激光功率为500W、TiO2质量分数为0.10时, 熔覆层表面较平整; 通过X射线衍射分析熔覆层生成较多Ti化合物, 这些Ti化合物对提高熔覆层硬度和减磨性非常有利; 熔覆层硬度比基体提高了约2.5倍; 摩擦系数较基体相比有所降低, 熔覆层的平均摩擦系数约为0.46。此研究结果对TC4 钛合金表面熔覆Fe基复合涂层的硬度和减磨性工艺参数有一定指导作用。

采用激光微织构技术，在钛合金表面上制备了圆形微凹坑，采用HT-1000型高温摩擦磨损试验机考察了微织构试样在常温和高温下的摩擦学性能，通过对摩擦系数、磨损量、磨痕三维轮廓和磨痕形貌的分析，探讨了高温环境对微织构试样耐磨性能和磨损机理的影响。结果表明：激光微织构试样在常温和高温磨损环境下的摩擦学性能均优于钛合金基体；在高温磨损条件下，微织构试样表现出更低的摩擦系数（0.27）、更小的磨损量（1.26 mg）以及更窄更浅的磨痕轮廓；微织构试样的磨损机制从常温下的磨粒磨损和轻微氧化磨损转为高温下的严重氧化磨损。由于微凹坑的磨屑收集特性及微织构表面在摩擦载荷的作用下可形成连续致密的光滑摩擦氧化物层，因此微织构试样表现出更好的高温耐磨性能。

为了揭示激光冲击强化诱导的表面纳米晶形成机制，通过电子背散射衍射(EBSD)和透射电镜(TEM)对TC4钛合金表层微观组织进行了分析。结果表明，试件表面冲击区域的相分布无明显变化，但平均晶粒尺寸由3.78 μm下降至3.18 μm，且高水平应变的分布更均匀。激光冲击强化使小角度晶界向大角度晶界转变，织构强度减弱且极向呈多向化分布，晶粒取向分布更随机。截面微观组织依次为表层纳米晶、次表层位错胞、高密度位错和内部带有低密度位错的基体粗晶。分析认为，表面纳米晶是由一系列复杂的位错运动引起的，符合连续动态再结晶机制。试件表面晶体畸变能最大，且瞬态温升高达755 ℃，因此动态再结晶过程进行得最充分。

研究了激光重熔在选区激光熔化（SLM）制备TC4钛合金时对样件的成形质量以及力学性能等方面的影响。实验结果表明，随着激光重熔次数的增加，TC4样件的上表面质量和致密度逐渐改善，上表面粗糙度值和致密度分别由未重熔时的13.2 μm和98.43%改善为重熔两次的8.7 μm和99.23%，但是侧表面质量未有明显变化。随着激光重熔次数的增加，伸长率有所增加，由未重熔时的1.15%改善为重熔两次的1.33%，但是抗拉强度基本相同。通过对TC4样件的显微组织进行观察，发现激光重熔前后TC4样件的显微组织上均由针状马氏体α′相占据。