Ti/Al异种材料焊接结构以其钛合金耐高温、铝合金易成形等结构功能化和结构轻量化特点,在航空、航天领域具有广阔的应用前景和迫切需求。新一代大推重比航空发动机、大推力液体运载火箭发动机等急需突破中厚Ti/Al结构可靠焊接难题。近年来,国内外研究人员围绕Ti/Al异种材料激光熔钎焊的界面理论、组织性能调控方法开展了大量研究,主要集中在采用激光热导焊的方法解决1～2mm厚的薄板连接问题。为解决中厚板激光深熔钎焊界面IMC调控的难题,本文以5mm厚TC4钛合金和6061铝合金为研究对象,基于摆动激光焊接和真空激光焊接的温度场调控能力以及表面微结构化对润湿铺展的促进作用,提出了Ti/Al异种合金激光深熔钎焊复合接头组织性能调控的新方法,核心思想是:通过摆动激光及真空激光焊有效降低Ti/Al结合面峰值温度及厚度方向温差从而实现IMC厚度及均匀性控制,通过纳秒激光在TC4侧壁表面制备微结构提高浸润特性和形成“钉扎”强化结构。TC4/6061激光熔钎焊接头强度由6061铝合金侧熔焊接头和TC4钛合金侧钎焊接头两部分共同决定。本文针对单激光、摆动激光、真空激光等焊接工艺下接头的成形质量、微观组织及力学性能展开了系统研究。结果表明,相较于传统的激光熔钎焊,通过摆动激光焊和真空激光焊方法均改善了接头成形,显著降低了熔焊区气孔缺陷,促进了熔焊区晶粒细化,提高了接头强度。利用EBSD对熔焊区结晶行为进行分析,采用摆动激光、真空激光调节能场后熔焊区平均晶粒尺寸由激光熔钎焊的27.7μm分别减小至7.2μm、14.7μm;接头抗拉强度分别为173MPa、181MPa,调控能场后熔钎焊接头均在IMC层与铝合金界面位置发生准解理断裂。在优化TC4/6061熔焊区的基础上,针对TC4侧钎焊区IMC层开展了组分、形貌、分布表征及调控研究,利用SEM、EDS和TEM对IMC层进行分析,结果表明,界面IMC层由纳米级层状Ti Al扩散层和在扩散层上生长出的连续锯齿状Ti Al3反应层构成,摆动激光深熔钎焊接头IMC平均厚度1.1μm,不同位置最大厚度差0.7μm;真空激光深熔钎焊界面IMC沿厚度分布更均匀,平均厚度1.0μm,界面不同位置最大厚度差仅为0.2μm。两种方式均实现了对中厚板界面IMC层的尺寸及分布的调控。利用原位TEM拉伸分析了TC4/6061微区断裂行为,试样加载过程中,裂纹倾向在IMC层附近的铝合金或钛合金处萌生随后扩展并最终断裂,当界面温度场调控得当时,IMC层将不再是TC4/6061接头的薄弱位置。建立了多物理场热流耦合模型,通过数值模拟获得了单激光、摆动激光、真空激光能场调控下的界面温度场及不同位置的热循环规律。三种方法的获得的Ti/Al界面最高峰值温度分别为1520 K、1346 K、1222 K,沿厚度方向温度差分别为479 K、311 K、99K。证实了摆动激光和真空激光均有效降低了界面沿厚度方向温度差,实现对TC4/6061激光深熔钎焊界面IMC层的有效调控。结合界面IMC层尺寸及分布特征,揭示了温度场对IMC的调控机制:峰值温度决定了IMC层厚度,沿厚度方向温度梯度决定了IMC层分布均匀性。在熔钎焊中,钎料在母材表面的润湿铺展能力是形成高质量接头的关键因素。为了促进6061Al在TC4上的润湿铺展并进一步强化TC4/6061异种材料深熔钎焊接头,本文采用纳秒激光在TC4表面制备沟槽微结构,开展了TC4表面纳秒激光微结构化工艺探索,利用SEM、AFM、XRD等手段对制备出沟槽的尺寸、表面微纳形貌及物相进行标定,通过高温真空钎焊炉进行微结构化表面润湿铺展特性测试。最佳纳秒激光工艺参数为:单脉冲能量2.33m J、振镜扫描速度450mm/s、扫描次数10次,加工后表面沟槽宽163μm、深107μm,表面未产生新物相依旧为TC4典型物相α-Ti、β-Ti,此时6061铝合金钎料在TC4表面润湿铺展速率最快,高温润湿角最小为1.8°。在明确最优微结构尺寸及工艺基础上,最终实现微结构化TC4/6061多能场调控下的接头强化,熔化的6061铝合金在TC4表面润湿铺展良好,完整的填充于TC4表面沟槽中,实现了“钉扎”结构强化,接头抗拉强度达到231 MPa。