表面完整性对航空发动机关键构件的服役寿命和可靠性具有重要作用。目前,我国已突破航空发动机构件多轴精密切削精度控制技术,但关于表面完整性控制相关基础研究还很薄弱。表面完整性控制,尤其是抗疲劳表面变质层控制不足,已严重制约航空发动机关键重要转动构件制造水平的提升。因此,深入开展抗疲劳表面变质层控制基础研究极为迫切和必要。本文以TC17钛合金精密铣削、喷丸强化、激光冲击强化、超声表面滚压强化等典型制造工艺为基础,深入系统地研究了表面变质层形成机理、影响规律、重构规律、预测模型与工艺控制方法等关键基础科学问题,并以叶片模拟件为对象进行了多工艺复合表面变质层控制试验验证。论文的主要研究内容和取得的创新性成果如下:(1)系统地研究了抗疲劳表面变质层控制基本理论。给出了抗疲劳表面变质层的基本概念,提出了以表面形貌、残余应力、显微硬度、微观组织为特征的表面状态检测数据与检测方法;给出了多工艺复合加工的概念,提出了基于解耦预抛光+机械强化+精抛光工艺链的多工艺复合加工工艺控制原理,并给出了工艺控制策略;基于制造过程特征分类,提出了表面状态与制造工艺因子的双向映射模型,并给出了基于实验设计的表面状态映射模型建模方法。(2)深入研究了精密铣削表面完整性控制方法。通过理论分析球头铣刀精密铣削残余应力、显微硬度和微观组织的形成机理,提出了精密铣削表面变质层微观力学特征指数衰减分布预测模型。在考虑切削工况与刀具磨损时变性的前提下,通过大量铣削试验和测试分析,获得了冷却润滑、刀具磨损、刀具姿态和铣削参数对TC17钛合金表面形貌、残余应力场、显微硬度场和微观组织影响的统计规律,建立了精密铣削表面粗糙度预测模型,采用遗传算法优化获得了高效精密铣削参数:v_c=107 m/min,f_z=0.06 mm/z,a_e=0.257 mm,获得了优选的工艺因子范围:乳化液冷却,VB<0.2 mm,刀轴倾角15~60°,刀轴转角0~90°或270~360°。采用响应曲面法对铣削残余应力场指数衰减分布模型参数进行了求解和预测精度评估,结果表明:模型预测值与实测值间的决定系数R~2>0.90,模型预测精度较高。(3)深入研究了机械强化表面完整性控制方法。通过分析喷丸强化、激光冲击强化、超声表面滚压强化三种工艺强化过程中残余应力、显微硬度和微观组织的形成机理,提出了机械强化表面变质层微观力学特征衰减余弦分布预测模型。通过三种机械强化工艺试验和测试分析,获得了喷丸强化中弹丸种类、喷丸强度、覆盖率,激光冲击强化中脉冲能量和搭接方式,及超声表面滚压强化中静压力和进给速度对表面形貌、残余应力场、显微硬度场和微观组织的影响规律,对比分析了三种工艺的强化效果和残余应力场梯度分布的均匀性。针对工程中大量使用的喷丸强化工艺,采用响应曲面法对残余应力场衰减余弦分布模型参数进行了求解和预测精度评估,结果表明:模型预测值与实测值间的决定系数R~2>0.97,模型预测精度较高。(4)深入研究了多工艺复合加工表面完整性重构规律与控制方法。在精密铣削和喷丸强化单工艺表面变质层微观力学特征预测模型的基础上,引入多工艺复合权重系数,通过前、后工艺表面变质层微观力学特征及其耦合项的线性组合,提出了多工艺复合加工表面变质层重构模型。通过精密铣削-抛光-喷丸强化多工艺复合加工试验和测试分析,获得了TC17钛合金多工艺复合加工表面状态重构规律。采用回归分析,求解了精密铣削-抛光-喷丸强化残余应力场梯度分布模型参数。基于该模型导出了表面完整性控制中残余应力梯度分布控制点,并以预测值与设计值的最小方差为目标函数,采用遗传算法,逆向求解得到了满足残余应力梯度分布关键控制点设计要求的精密铣削和喷丸强化工艺因子组合,建立了制造工艺因子与残余应力场梯度分布的正向与逆向求解方法。(5)通过叶片模拟件多工艺复合加工和振动疲劳试验,对多工艺复合表面变质层控制方法进行了验证。采用铣削-抛光、铣削-抛光-喷丸强化-振动光饰两种复合工艺进行了叶片模拟件的制备,通过表面变质层测试分析,获得了叶片模拟件表面完整性特征的重构规律。通过有限元模态分析,获得了叶片模拟件的一阶弯曲振动频率振动应力分布。通过振动疲劳试验,获得了疲劳寿命和疲劳断口,结果表明:铣削-抛光-喷丸强化-振动光饰的叶片模拟件疲劳寿命优于铣削-抛光的叶片模拟件疲劳寿命,疲劳裂纹位于叶背中部,从进气边处起始,疲劳源区有明显的的人字形放射线特征,疲劳扩展区可见小二次裂纹。