Ti6A14V合金由于优异的综合性能被广泛应用于航空航天、生物医学等高新技术领域,然而硬度低耐磨性差等自身不足致使其进一步推广受到局限,促使人们开展了钛合金表面强化技术的研究与应用探索。高硬度耐磨损的氮化钛防护涂层可有效改善钛合金材料表面性能,而激光气体氮化有传统技术无可代替的氮化钛涂层制备优势。激光氮化技术的关键是控制工艺参数,进而获得满足工艺需要的渗氮层,达到提高表面性能的目的。然而,由于影响参数众多,这一技术仍存在诸多急需解决的问题,距离真正广泛的实际生产应用尚有很大的距离。本文针对激光氮化工艺存在的不足,采用试验和理论分析并重的研究思路,开展了相关技术和理论研究。主要内容和创新如下：(1)对于钛合金激光辅助氮化过程的热质传递,存在界面浓度梯度驱动和高阶温度梯度驱动的耦合效应影响。采用数值模拟结合微观尺度试验研究的方法,首次分析了渗氮层内氮元素最大溶解极限对于扩散传质的影响,获得了激光渗氮层内组分的不均匀性分布规律。研究发现,在高阶温度梯度和浓度梯度的共同驱动下,氮原子不断向内扩散的同时也产生沿温度梯度方向的扩散,最高浓度峰值向内偏移至距表面一定深度处；分析了各加工参数对激光氮化表面强化层性能的影响,为激光氮化工艺优化提供指导。(2)根据工艺参数优化分析的结果,利用连续CO2激光和脉冲Nd:YAG激光在钛合金表面成功制备了高硬度高结合强度的枝晶状分布的氮化钛保护层。同时,试验分析发现,由于基体约束作用和氮化层相变等因素的影响,激光渗氮层表面存在残余应力和萌生表面裂纹等问题。(3)针对激光渗氮层开裂这一技术瓶颈问题,首次提出了施加压缩外载荷的激光氮化工艺。研究发现当施加一定的压缩载荷时,可以有效地减少甚至避免在激光渗氮工艺过程中形成裂纹;随着外载荷的加大,残余应力降低,氮化层内氮原子浓度峰值降低,表面硬度降低,摩擦系数增加。(4)基于纳米压痕和纳米划痕测试技术,测定了不均匀激光氮化层的弹塑性力学性能,并与采用不均匀组分相关的力学模型计算获得的弹塑性力学性能进行比较,揭示出激光渗氮层力学性能沿深度方向的分布规律与激光渗氮层内氮浓度分布规律的一致性。本研究为钛合金激光表面氮化技术的推广和工业应用提供了有力的支撑。