TC4钛合金作为一种在航空航天领域使用率极高的钛合金,常应用于发动机高温工作零部件的制造。由于这些零部件需在高温、和循环载荷等服役环境下长期稳定工作,极易发生复杂的热机械疲劳破坏。表面质量对热机械疲劳性能有着直接影响,热机械疲劳破坏过程中的微裂纹大多萌生在表面并迅速向材料内部扩展,严重降低这些零部件的服役寿命,甚至造成严重后果。因此,TC4钛合金表面强化工艺具有重大价值。本文通过有限元模拟与实验相结合的方式,探究激光冲击强化（Laser Shock Peening,LSP）对TC4钛合金微观组织、力学性能和热机械疲劳的影响规律和机制。首先通过有限元模拟分析LSP工艺对残余应力分布的影响,得到优化的LSP工艺参数,指导后续实验;通过微观结构表征、力学性能测试和热机械疲劳试验,对比分析了LSP处理前后TC4钛合金微观组织和力学性能变化规律;深入分析了LSP处理对TC4钛合金微观组织演变、残余应力分布和热机械疲劳的影响机制。研究结果表明,LSP技术可以在TC4钛合金试样近表面产生严重塑性变形层,得到细化的微观组织和梯度残余应力分布,二者综合作用可显著提高其抗热机械疲劳性能。具体研究内容如下:（1）LSP工艺参数对TC4钛合金残余应力的数值仿真。采用ABAQUS有限元分析软件建立了TC4钛合金的有限元分析模型,进行不同光斑形状、不同层数LSP模拟,得到稳定的残余应力分布模型。结果表明,LSP后TC4钛合金表面的残余压应力值随冲击层数的增加而增加,但增长幅度降低。冲击层数的增加可使表面残余压应力变得均布,应力水平提升。此外,表层方形光斑冲击形成的残余应力比圆形光斑冲击形成的残余应力更均匀,而圆形光斑冲击在深度方向形成更稳定的残余压应力影响层。（2）LSP作用下TC4钛合金微观组织和力学性能的影响。研究了不同冲击层数在三种状态（室温,300℃热循环,500℃热循环）下对TC4钛合金残余应力和硬度的影响规律,分析了LSP作用下TC4钛合金微观组织的演变规律,揭示了LSP诱导的晶粒细化机制。结果表明:LSP处理后在TC4试样近表面诱导形成一层致密的塑性变形层,产生梯度残余应力和梯度硬度;随着冲击层数的增加,残余应力和硬度的深度和数值均增加,表面及次表面出现小尺寸的α等轴晶粒并发现纳米级β晶粒。经不同温度梯度热循环后,梯度残余应力和梯度硬度发生不同程度的减小,硬度值和残余应力值在下降到一定程度后出现了稳定;热循环温度越高,应力释放以及硬度值下降越明显,β晶粒出现等轴化和粗化趋势,其中柱状晶比例减少。经热循环后TC4试样沿LSP作用深度方向的α晶粒有一定粗化趋势,等轴β晶粒的占比增高,且β晶粒含量沿深度方向逐步降低。（3）LSP对TC4钛合金热机械疲劳的影响规律及强化行为。研究了LSP前后TC4钛合金热机械疲劳的变化,揭示了LSP对热机械疲劳的强化机理。结果表明:四级应力水平下,经过单层冲击（LSP-1）和双层冲击（LSP-2）处理的TC4钛合金试样疲劳寿命分别提升了30%和120%。从未冲击试样到LSP-1试样和LSP-2试样,断口出现解理特征和脆性断裂特征逐步减少,TC4钛合金的疲劳性能逐渐提升。在300℃和500℃温度下进行热机械疲劳试验后,未冲击试样、LSP-1试样和LSP-2试样均出现了寿命减少和解理特征增多的现象,在500℃温度下降低幅度更大。室温、300℃和500℃下热机械疲劳试验发现,LSP处理后的试样的热机械疲劳寿命分别提升60%和45%。LSP处理在TC4钛合金近表面产生一定深度严重塑性变形层,诱导梯度残余压应力和细化的微观组织,抑制微裂纹的萌生与扩展,可明显提高试样的疲劳强度和寿命。