随着激光器和激光光束控制技术的飞速发展,科研人员在金属材料表面功能结构制备领域也取得了良好的研究成果。随着高端制造领域的应用需求,对金属材料的应用范围、处理效率、加工精度都有了更高的要求。传统金属材料表面功能结构制备技术,主要采用化学腐蚀、喷砂等方法,存在一致性差、工艺复杂、危害操作人员健康、污染环境等诸多问题。激光表面功能结构制备技术作为新型的微纳结构制备方法,与传统加工方法相比,具有绿色环保、成本低、非接触、机械负荷小等优势,被认为是最安全、环保的解决办法,在工业产品中应用前景广泛。近年来,在工业制造领域,金属材料表面功能结构制备尤为重要。由于脉冲激光束能量密度、脉冲个数、加工方向等参数具有任意调整可控的特点,利用脉冲激光可以对材料表面的浸润性能、光学性能、硬度性能、结构性能等进行精准调控,进一步拓宽了材料的应用领域。例如,金属材料表面功能结构可以改善材料浸润性,提升材料的表面能和粘接强度;通过改变材料表面氧化层厚度,提升材料的耐久性和耐腐蚀性;通过激光高温照射,改变材料的组织结构,提升基体的硬度及材料的耐磨性能。金属材料表面功能结构制备,在诸多领域均有广泛的应用和深远的意义。论文首先在铝合金材料表面制备了微纳复合结构,研究了激光作用材料表面的温度场分布,基于表面润湿理论分析了激光刻蚀对材料表面亲疏水性能的影响。随后研究了激光参数（如激光能量密度、频率、扫描速度、扫描间隔）对材料表面结构形貌、浸润性能及化学成分变化的影响规律。在此基础上,通过调控激光光斑分布,获得超亲水表面功能结构,利用多脉冲激光诱导材料表面形成微纳复合结构,增加了材料与粘合剂之间的接触面积,实现了铝合金材料表面粘接性能的提升。其次,在微纳复合结构制备的理论与实验研究基础上,研究了激光作用钛合金材料表面形成透明或者半透明的氧化膜以及有色氧化物的成色机理,通过改变材料的光学性能使其表面形成不同的颜色,基于温度场模拟的有限元模型,实现了在不同激光参数组合下激光着色的热计算,获得了激光参数对材料表面温度场的影响,分析了温度场对材料表面颜色变化的影响规律。在理论分析的基础上,提出了脉冲激光诱导材料表面氧化着色控制方法,通过改变扫描速度单一参数可以得到不同的颜色,利用不同颜色的组合得到彩色图像。此外,为了研究激光制备对基体物理性能的影响,开展了不锈钢材料表面胶层去除及硬度、金相组织结构等性能影响研究。在空气、喷淋等不同的环境下,分析激光高温照射对材料金相组织结构、硬度的影响规律。基于温度场模拟的有限元模型,提出了通过改变对流换热系数能够有效控制材料表面温度方法,实现了对基体硬度性能的提升。在空气自然对流环境下,激光作用在基体表面金相组织结构主要分为三个区域:近表层硬化区、热影响区、基体区,提升了基体表面硬度性能;在喷淋环境下,基体表面热积累减少,基体金相组织结构、硬度等都未发生明显变化。本文开展了脉冲激光金属材料表面功能结构制备及性能影响研究,揭示了激光诱导材料表面微纳结构的形成机理,实现了对金属材料表面的浸润性能、光学性能、硬度性能、结构性能的精确调控,在发动机粘接前预处理、精密构件表面着色、活门表面胶层去除及硬度性能提升等领域,开展了相关实验和应用研究,验证了技术的可行性,为后续的金属材料表面功能结构制备的推广应用奠定了坚实的基础。