针对航空发动机叶片的振动疲劳失效问题,提出基于超低温度与超高应变率耦合作用的深冷激光喷丸(Cryogenic laser peening,CLP)工艺。以航空钛合金TC6为研究对象,采用理论分析、数值模拟以及实验研究相结合的方法,探索深冷激光喷丸作用下材料的微观组织演变及残余应力分布规律,在此基础上探究深冷激光喷丸对结构件振动性能及其疲劳寿命的影响机制。论文的主要工作和创新成果如下:(1)理论研究了深冷温度与激光喷丸耦合作用改性的微观机制。分析了深冷温度对抑制位错结构回复与湮灭的作用机制,揭示了深冷激光喷丸对提高位错密度及其稳定性的作用机理。基于超低温度与超高应变率耦合作用的孪晶形核机制,探究了深冷激光喷丸对抑制位错滑移,提高孪晶形核驱动力以及纳米孪晶形成的影响机制。(2)建立了深冷激光喷丸诱导单晶钛塑性变形的分子动力学模型,模拟了深冷激光喷丸作用下位错的产生与增殖、形变孪晶以及非晶化形成过程。采用XRD、TEM以及EBSD等实验手段,探究了深冷激光喷丸作用下TC6钛合金位错密度与组态、晶界取向角及晶粒尺寸分布、形变孪晶等微观组织特征,揭示了深冷激光喷丸诱导的位错滑移、多向孪晶交错、以及位错与孪晶相互协调的塑性变形机制。(3)构建了残余压应力幅值及塑性应变深度的数学解析模型。基于深冷温度与高应变率下材料的弹塑性变形,阐明了深冷激光喷丸诱导的冲击波峰值压力及残余应力分布规律。分析了不同激光功率密度下深冷激光喷丸诱导的残余应力分布规律,并获得了较优激光功率密度参数。探究了深冷激光喷丸试样表面残余压应力随振动加载次数的释放过程,基于残余压应力松弛与微观结构演变之间的关系,揭示了深冷激光喷丸诱导的形变孪晶对抑制位错滑移、减小振动应力、降低残余应力松弛速率,进而提高残余压应力稳定性的增益机制。(4)提出了基于深冷激光喷丸诱导的位错结构与形变孪晶对振动模态参数的调控方法。基于纳米压痕测试技术,分析了深冷激光喷丸对材料弹性模量的影响规律,阐明了弹性模量对固有频率的作用机理。采用模态分析法,测量了深冷激光喷丸振动试样的固有频率和阻尼比,在此基础上实验研究了金属阻尼比对标准振动结构件振幅的影响规律。基于位错阻尼和孪晶阻尼理论,揭示了金属阻尼特性对振动衰减的作用机制。(5)提出了基于形变孪晶与残余压应力的深冷激光喷丸耦合强化机理。采用SEM测试手段,分析了振动疲劳断口形貌及各阶段的断裂特征,并获得了金属材料振动疲劳断裂准则。采用TEM以及EBSD测试手段,分析了振动疲劳试样近断口表面的位错和孪晶形态、以及晶粒尺寸分布特征,揭示了深冷温度与激光喷丸耦合作用的抗振动疲劳延寿机制。研究表明,深冷激光喷丸耦合作用诱导的高密度位错和形变孪晶,以及高幅值的残余压应力有效抑制了振动疲劳过程中裂纹的萌生与扩展,进而显著提高金属材料的振动疲劳寿命。