激光制孔具有效率高、精度高、无机械应力及无工具损耗等优点,已成为现代微小孔加工领域的关键技术之一,被广泛应用于航空航天、船舶、生物医学、化工、汽车等领域,但激光制孔依然存在重铸层、氧化层、热影响区和微裂纹等缺陷。本文面向航空发动机涡轮叶片高精度、高品质、高效率的激光精密制孔需求,为进一步提高激光制孔质量与效率,以航空发动机涡轮叶片常用材料GH4037镍基高温合金为研究对象,在激光冲击制孔与切孔有限元数值模拟的基础上,开展了水基超声/磁场辅助高温合金激光制孔工艺及机理研究,为各种工业应用中的微孔激光加工提供了理论与技术支撑。论文主要研究成果如下:1.采用单元生死法建立了激光冲击制孔和切孔三维有限元模型。以ANSYS参数化设计语言（APDL）为基础编写了激光冲击制孔和切孔专用有限元分析程序。主要对激光制孔过程中温度场的变化情况、微孔入口和出口附近不同节点温度变化情况进行了分析,对微孔几何尺寸进行了预测,并将模拟结果与实验结果进行了比较。研究发现,激光冲击制孔过程中,距离孔壁越远,温度越低;随着脉冲载荷的不断施加,微孔入口附近节点1-4出现温度瞬时升高又下降的波动情况,模型的基体温度不断升高,激光束作用位置及附近温度最高,微孔由盲孔逐渐转变为通孔。在激光切孔中,试样上的温度场随激光束的旋转而发生瞬时变化;当激光束距离微孔入口附近节点11-14和微孔出口附近节点17-20较近时,随着时间的变化,节点11-14和节点17-20温度呈现周期性波动的特征,节点瞬时温度较高。模拟得到的微孔孔型与实验结果吻合度较高。2.结合水辅助技术及超声辅助技术,提出了水基超声辅助毫秒激光冲击制孔方法。对比分析了空气中、水辅助和水基超声辅助三种不同环境对毫秒单脉冲激光制孔的影响,发现采用水辅助和水基超声辅助方法均可提高毫秒单脉冲激光制造通孔的质量与效率,且水基超声辅助情况下微孔质量更高。分析了超声功率变化对水基超声辅助毫秒单脉冲激光盲孔和通孔制造的影响,结果表明随着超声功率的增大,微孔圆度提高,内壁表面粗糙度减小。对于盲孔而言,随着超声功率的增加,盲孔的截面面积增加,材料去除量增加;盲孔底部附近的重铸层厚度减小,盲孔中部附近的重铸层厚度先增大后减小,整个孔壁周围的重铸层分布更加均匀。对于通孔而言,其孔壁的重铸层均匀性明显优于盲孔,通孔中部与底部的重铸层厚度差异较小;随着超声功率的增加,孔壁周围的重铸层厚度减小。3.通过高速摄像机拍摄有无水基超声辅助和不同超声功率下毫秒激光冲击制孔过程中熔融物的飞溅、蒸气和等离子体的变化情况,进一步揭示了水基超声辅助毫秒激光冲击制孔机理。研究发现,水基超声辅助一方面提高了毫秒激光冲击制孔效率,主要表现在试样上方观测到的飞溅物增多,材料的去除量增加,试样被打通所需时间随着超声功率的增加而减少。另一方面提高了毫秒激光冲击制孔质量,主要表现在微孔入口和出口附近的熔融物残留减少,微孔圆度提高,微孔的截面垂直度增加,微孔的重铸层厚度减小,且重铸层分布更加均匀。这是因为超声振动、水中气泡引起的液体运动、水中蒸气与等离子体反冲压力的增加均会促进熔融物的去除。此外,超声在水介质中传播会产生空化效应,进一步促进熔融物的去除。4.结合水辅助技术、磁场辅助技术以及高速扫描振镜系统,提出了水基磁场辅助飞秒激光逐层逐圈切孔方法,并探索了其作用机理。结果表明,与磁场辅助方法和水辅助方法相比,水基磁场辅助情况下飞秒激光逐层逐圈切孔质量与效率最高,微孔锥度最小,内壁粗糙度最低,且磁场强度越大,微孔质量越高。主要是由于横向磁场与水介质作用均可改善制孔质量,提高制孔效率。在横向稳态磁场的作用下,等离子体对激光的屏蔽效应减弱,激光束对微孔内壁材料的去除更加均匀,同时等离子体对孔壁的冲击作用增强,导致飞秒激光逐层逐圈切孔效率与质量均提高。在0-200 m T磁场强度变化范围内,磁场强度越大,磁场作用效果越好。然而由于飞秒激光作用过程中等离子存在时间很短,磁场的影响并不明显。当水介质进入微孔,由于气泡引起的液体运动、等离子体在水中反冲压力的增加以及等离子体屏蔽效应的减弱,飞秒激光逐层逐圈切孔效率与质量均提高。