氢致塑性损伤及振动疲劳断裂是深海服役钛合金构件的主要失效形式,激光喷丸强化作为一种新兴的表面处理工艺,通过引入应力强化和组织强化效应,可有效延长金属关键结构件在海洋富氢环境中的振动疲劳寿命。本文以TC4钛合金为研究对象,采用理论分析和试验探究相结合的方法,研究激光喷丸强化对充氢试样残余应力、微观组织、模态参数、振动疲劳性能及断口形貌的影响规律,系统分析激光喷丸强化TC4钛合金充氢试样的抗氢脆和抗振动疲劳延寿机制。主要工作如下:(1)以钛合金的氢脆机理为基础,以残余压应力、两相组织的晶粒细化及不同位错结构为切入点,研究激光喷丸强化钛合金的抗氢脆机制。此外,综合考虑固有频率及阻尼比的影响因素,探索激光喷丸强化对充氢试样疲劳极限、疲劳裂纹扩展门槛值和应力强度因子的作用机制,并推导出激光喷丸强化充氢振动疲劳试样总寿命的关系式,揭示激光喷丸TC4钛合金富氢环境下的抗振动疲劳延寿机制。(2)开展激光喷丸强化和电化学充氢试验,研究激光喷丸TC4钛合金充氢试样的表面完整性,分析不同激光功率密度对充氢试样表面及深度方向纳米硬度、弹性模量、残余应力及微观组织演变的影响规律。结果表明,纳米硬度值及影响层深度、弹性模量及影响层深度、残余压应力值及其影响层深度皆随激光功率密度的增加而增加;激光喷丸强化后α相和β相的晶粒得以细化,位错密度增加,单位晶界上氢浓度降低,氢捕获位点增多,应力强化结合组织强化促使TC4钛合金的抗氢脆敏感性、疲劳极限和裂纹扩展阈值得以提升。(3)开展TC4钛合金振动疲劳标准试样的模态参数测试和振动疲劳试验,并对振动疲劳断口形貌各特征区(裂纹萌生区、裂纹扩展区和裂纹瞬断区)进行分析。测试结果表明TC4钛合金充氢试样的固有频率、阻尼比随激光功率密度的增加而增加。激光喷丸强化后充氢试样的振动疲劳寿命明显增大,激光喷丸促使充氢试样的疲劳裂纹萌生源由表面转向试样内部,减小了裂纹萌生区准解理面的尺寸;随着激光功率密度的不断增大,疲劳裂纹扩展区的疲劳条带间距不断减小,裂纹扩展路径更为曲折;瞬断区的韧窝变得更大更深,显示出较好的断裂韧性。