本文选用轧制退火态高纯钛、预镀Cr的高纯钛、热轧态Ti-6Al-4V(TC4)为研究对象,利用脉冲激光对其进行激光表面处理,综合运用电子通道衬度(ECC)成像、电子背散射衍射(EBSD)、能谱(EDS)等技术对激光处理前后的微观组织特征(形貌、变体取向、微区成分等)进行了系统的表征。此外,对激光处理之后的样品进行硬度测试,并结合微观组织特征深入分析了硬度测试结果。得到了如下结论:(1)以高纯钛为研究对象,对其进行脉冲激光表面处理(LST),然后对处理前后的微观组织和性能进行分析。激光表面处理后,高纯钛表面获得了两个完全不同的改性区:重熔区(MZ)由内部具有纳米孪晶的细α板条组成,而热影响区(HAZ)是由不规则形状和不均匀尺寸的亚晶粒组成。在LST诱导的快速冷却过程中,MZ中发生的β→α相变导致了板条组织的取向分散。HAZ中的亚晶粒是由热应力诱导位错运动的回复形成。高纯钛中不存在双相结构,导致了尖锐的MZ/HAZ界面,而由于不均匀的高角度晶界迁移导致HAZ/基体界面模糊。MZ的硬度显著增加,归因于晶粒细化(α板条)和纳米孪晶;HAZ中只有轻微的硬度增加。(2)利用不同功率(100 W和200 W)的脉冲激光对纯钛进行了表面合金化Cr处理,然后对激光处理前后的微观组织和性能进行了细致的分析。两种功率下,纯钛激光表面合金化Cr后都获得了两类组织特征差异显著的改性区:靠近表面的重熔区(MZ)——由富集Cr的细小马氏体α板条组成,且其内部有密集的纳米孪晶;位于重熔区下方的热影响区(HAZ)——晶粒形状不规则,尺寸不均匀,且晶粒内部几乎不含有Cr但存在大量的亚结构。硬度测试显示,表面合金化Cr可以有效地提高纯钛的表面硬度(增加3倍以上),硬度增加的区域主要是MZ,这归因于α板条及其内部纳米孪晶的组织细化和Cr的固溶强化。HAZ中小角度晶界包围的亚晶由位错的回复产生,对硬度的增加有限。激光功率的增加可同时扩大MZ和HAZ,但200 W处理样品的表面硬度略低于100 W样品,这与改性区扩大带来的Cr稀释和冷却速率降低有关。此外,与普通激光表面处理的结果对比可知,激光表面合金化Cr可更显著地提升纯钛的表面硬度。(3)以热轧态TC4板材为研究对象,对其进行不同功率(100 W和200 W)的脉冲激光表面处理,然后对激光处理前后的微观组织和性能进行了分析。结果表明,两种功率激光处理之后,样品表面均出现了两个微观组织特征差异显著的改性区:靠近激光束中心的重熔区(MZ)——完全由细小的马氏体板条组成,其内部存在许多{10-11}纳米孪晶;离激光束中心较远的热影响区(HAZ)——由未发生相变的块状α晶粒、短棒状β相、马氏体板条混合组成,这种混合组织的出现与脉冲激光导致的特殊热处理条件有关。硬度测试显示,脉冲激光处理可提高TC4板材的表面硬度(特别是MZ)。结合微观组织的细致分析显示,MZ硬度增加是细晶强化、纳米孪晶强化和固溶强化综合作用的结果,而HAZ硬度增加可主要归因于细小的板条结构。对两种功率激光处理样品的对比分析显示,功率上升可有效扩大激光改性区(MZ和HAZ),同时可进一步细化板条组织,导致样品的硬度增加。