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激光喷丸技术通过激光诱导等离子体产生高幅冲击波压力,向材料表层植入高幅残余压应力,同时增加表层位错密度、细化晶粒以提高材料的机械力学性能。针对强化性能在高温和循环载荷条件下的稳定性问题,温度辅助的激光喷丸强化技术已日益受到国内外学者的关注。本文以典型航空铝合金2024-T351为研究对象,探索深冷预处理对2024-T531铝合金组织性能及激光喷丸强化效果的影响,主要工作包括:(1)理论上探索了深冷预处理对激光喷丸2024-T351铝合金残余应力及疲劳性能的影响,分析了激光喷丸诱导残余应力场、残余应力对金属疲劳性能的影响及高温、振动和交变载荷条件下残余应力稳定性等关键问题,研究了深冷预处理对2024-T351铝合金材料屈服强度、硬度以及弹性模量等力学性能影响的相关理论,为深冷预处理和激光喷丸改性工艺研究提供理论基础。(2)实验研究了深冷预处理对2024-T351铝合金微观组织、静态力学性能及表面残余应力的影响。以液氮(-196℃)为介质对铝合金材料进行2h~12h等不同时长的深冷预处理,随后进行常温拉伸和纳米压痕等性能测试;对深冷前后材料金相组织、第二相状态和表面残余应力进行检测分析。结果表明,深冷预处理后材料的微观组织得到改善,其抗拉极限、屈服强度、纳米硬度及弹性模量等明显提高,拉伸断口形貌的局部解理特征向塑性断裂特征转化,说明深冷预处理亦可提高2024-T351铝合金塑性。残余应力测试表明深冷预处理可消除2024-T351铝合金表面残余拉应力,并引入小幅残余压应力。(3)开展了激光喷丸处理2024-T351铝合金系列实验及其相关性能测试,研究了经深冷预处理和未处理材料的激光喷丸强化效果。结果表明深冷预处理后进行激光喷丸处理,材料的晶粒更加圆整且晶界更为清晰,表面残余应力幅值和激光喷丸影响层硬度明显增加;“梯度交变载荷”作用下的残余应力稳定性和疲劳性能测试分析表明,深冷预处理和激光喷丸均能提升2024-T351铝合金的疲劳寿命,同时深冷预处理能显著提高激光喷丸2024-T351铝合金残余应力场的稳定性,因而深冷后进行激光喷丸处理的材料疲劳增益更明显。