钛合金的比强度、抗蚀性、高温性能和生物兼容性等都十分优异,在航空航天、能源动力、海洋工程、石油化工、军事工业及生物医疗等行业均得到了广泛应用,但是钛合金表面硬度和耐磨性欠佳,限制了其在一些典型极端工况的应用。表面性能欠佳已经成为制约钛合金更大范围应用的核心问题。以1000 mm级超长钛合金汽轮机叶片为例,其材料为Ti-6Al-4V,按照设计要求叶片表面显微硬度必须高于500 HV,但是Ti-6Al-4V表面硬度只有250 HV,不能满足设计要求。钛合金表面激光气体原位氮化可以有效改善其表面性能,目前国内外学者对钛合金表面氮化研究工作多以参数相关研究为主,并且成果呈碎片化,缺乏通过可测可控的物理特征参量及严密的理论模型对工艺与性能进行有效的评价和关联,没有建立和形成揭示工艺因素与性能及质量控制内在联系的理论体系。由于对钛合金氮化工艺机理认识不清,工艺控制要素复杂并存在交互影响,使得工艺参数的重现性较差,不同文献的研究和试验结果往往相互矛盾并难以相互验证的问题十分突出。在空间异形叶片类零部件的氮化工艺中由于氮元素的传输和分布受激光与氮气耦合行为及氮与熔池耦合行为的影响,使得氮化层质量调控难度极大。针对以上问题,本文主要研究内容如下:（1）本文系统研究了工艺参数对光纤激光氮化层表面成型的影响并测试光纤激光氮化层机械性能,优化了氮化层表面成型并验证了光纤激光氮化工艺的可行性。本文采用控制变量法进行研究,即控制其它工艺参数不变,分别采用不同激光功率、激光扫描速度、喷嘴距、N2流量和离焦量进行氮化试验,并测量氮化层表面成型。试验结果表明,激光功率主要影响氮化层表面氧化行为,功率过高导致氮化层表面被氧化。激光扫描速度主要影响氮化层表面粗糙度,扫描速度过高或过低都会导致氮化层表面粗糙度增大。喷嘴距会显著影响氮化层表面成型,必须将喷嘴距严格控制在3 mm～5 mm之间,否则氮化层会被强烈氧化。N2流量对氮化层表面成型影响较小,采用较大或较小的N2流量进行氮化试验都可以得到理想的氮化层成型。离焦量主要影响钛合金表面粗糙度,离焦量不能太大,否则会降低钛合金表面激光功率密度,并导致氮化层表面粗糙度增大。另外测试了光纤激光氮化层显微硬度和耐磨性,氮化层显微硬度呈梯度状分布,上表面显微硬度最高,相当于基体的4倍;氮化层的耐磨性比Ti-6Al-4V基体提高了57.1%。氮化层显微硬度和耐磨性比基体显著提高,可以满足多数工业应用需求。（2）本文以氮从空域过渡到熔池表面的机制为切入点,深入研究光纤激光与N2耦合行为。为了研究光纤激光对N2的作用,测试了空域导电性,拍摄了空域特定波长辐射照片,采集了空域发射光谱,三个试验结果表明,光纤激光气体原位氮化钛合金工艺中空域N2未电离。理论计算了致空域N2电离所需要的光纤激光功率密度,计算结果表明,光纤激光功率密度大于1830 MW/cm~2可致空域N2电离,但是本文光纤激光器可输出的最大激光功率密度为0.17 MW/cm~2,所以光纤激光不能致空域N2电离。N2不能电离自然不存在氮等离子体对激光能量的屏蔽作用,因此光纤激光气体原位氮化钛合金工艺中,激光与N2无耦合行为,N2以分子形式从空域过渡到熔池表面。进一步研究了空域N2未电离对氮化层的影响,试验发现空域N2未电离时,氮化层氮含量更低、缺陷更少、氧含量更高、表面有明显黑色痕迹并且表面无光滑区域。空域N2电离和未电离的氮化层表面相同点是:氮化层侧面都存在富氮的波峰和富钛的波谷,氮化层中部有Ti N树枝晶。（3）本文以熔池中氮的传输机制为切入点,深入研究了氮与熔池耦合行为。为了研究熔池对流行为,离线分析了氮化层特点,发现氮化层横截面形貌不规则,氮含量和显微硬度沿深度方向呈梯度分布,氮化层显微组织包括顶层连续Ti N层,中间层树枝晶和底层针状组织。由氮化层横截面特点可推测熔池对流行为有自身特点。在线拍摄了熔池表面对流行为,发现氮化熔池对流行为分为大对流和小对流,并且表现出间断性、局部性和随机性的特点,证实了之前的推测。数值模拟了氮化熔池流动行为,模拟结果表明,由于熔池生成Ti N相,熔池熔点升高,粘度增大,导致熔池特殊对流行为。数值模拟了氮的传输行为,模拟结果表明,熔池对流是促进氮元素传输的主要因素,扩散的作用非常弱,由于氮化熔池对流具有间断性和局部性,所以氮元素没有充分传输,熔池和氮化层氮元素分布沿深度方向呈梯度特点。总之,氮对熔池的作用体现在氮化物影响熔池热物理性能,进而影响了熔池对流行为;熔池对氮的作用表现为熔池对流主导氮元素传输,熔池对流具有间断性和局部性,所以氮元素传输不够充分,氮化层氮元素沿深度方向分布呈梯度特点。氮化层顶层氮元素含量高,塑性和韧性低,极易萌生裂纹。氮与熔池有强烈的耦合作用,并直接影响氮化层成分、组织、性能和缺陷。（4）本文采用Ar稀释N2调控氮化层质量,并深入研究调控的机理。采用Ar稀释N2调控了氮化熔池对流行为和氮元素传输行为。在线拍摄了不同N2和Ar流量比时,氮化熔池表面对流行为。结果表明,采用Ar稀释N2使熔池对流行为由间断对流变成连续对流,由小区域局部对流变成大区域局部对流,由低速对流变成高速对流,因此采用Ar稀释N2可以有效调控氮化熔池对流行为。数值模拟了稀释N2环境熔池流动行为,结果表明,由于熔池表面缓慢生成Ti N相,熔池熔点降低,熔池表面温度始终高于熔点,因此熔池连续对流,对流区域面积更大,对流速度更快。测试了氮化层横截面特点,发现氮化层横截面形貌由不规则形貌变成了规则半椭圆形,氮化层氮含量和显微硬度分布更加均匀,氮化层树枝晶尺寸减小并且更加稀疏,针状组织的范围增大,并且氮化层不会形成裂纹。总之,采用Ar稀释N2使熔池Ti N相生成速度更慢,影响了熔池热物理性能,进而调控了熔池流动行为和氮元素传输机制,使氮化层氮元素分布更均匀,氮化层顶层氮含量降低,有效提高了顶层的塑性和韧性,避免了氮化层表面形成裂纹缺陷,提高了氮化层质量。