激光与电化学复合沉积加工是指在电沉积过程中引入激光辐照在阴极表面,利用激光影响电极反应过程,是一种典型的多能场复合加工方式。激光与电化学复合沉积在功能镀层、新能源和极端制造中具有独特优势和发展潜力。但是关于激光与电沉积复合机理的研究大多以温度影响为主,对于激光在电极反应中微观作用机理的认识还存在不足。本文以纳秒脉冲激光与电化学复合沉积镍镀层为例,针对激光的热效应、空化效应、光效应在电沉积传质过程、电极反应过程、电结晶等方面的作用进行了仿真和实验研究和探讨,主要工作和创新成果如下:（1）激光在溶液中的传播机理及激光形成的空化效应和热效应研究:利用激光功率计分别测量了激光穿过不同厚度溶液前后的能量差,分析了532 nm和1064 nm波长纳秒脉冲激光在瓦特镍溶液中的能量损耗。在激光电化学复合沉积时所用的常规离焦量下,利用高速摄像机拍摄了空泡的形成过程,确定了空泡的形成位置、持续时间、空泡半径及膨胀速度。将实验获得的膨胀速度作为COMSOL流场仿真的边界条件,计算了空泡在溶液中形成的流场分布。仿真模拟了激光在溶液中形成的温度场分布以及由温度梯度引起的溶液非等温流动,根据仿真结果,非等温流动的速度比空泡搅拌形成的流动速度小多个数量级。（2）激光热效应和空化效应对电极反应的作用机制:激光辐照在基板上会引起周围溶液的温升,从而影响溶液属性和电沉积动力学参数。在不同电解液温度下,利用三电极体系测量电沉积的平衡电位、交换电流密度和扩散系数,利用电导率仪测量溶液的电导率。结果表明,温度升高增大了交换电流密度、扩散系数和电导率,但平衡电位有所负移。建立了温度与电沉积动力学参数的关系曲线,利用COMSOL仿真计算了不同物理场的耦合模型,研究了激光在沉积过程中的作用。利用电化学工作站对比了实际加工过程中电流的变化,激光对电沉积电流有明显的增强作用。（3）激光对电荷转移、电结晶和晶粒生长的影响:基于双电层理论、电荷转移理论和电结晶理论分析了激光对于电结晶过程的作用机理。分别在不同温度下、不同搅拌速度下、不聚焦激光辅助以及聚焦激光辅助条件下制备了镍镀层,利用SEM、EBSD和XRD等手段分析了镀层表面形貌、截面晶粒以及晶粒生长取向。结果表明,空泡屏蔽和光效应是减小晶粒尺寸的主要原因,温升和搅拌使晶粒粗大,但加快了镀层的生长。热效应、空化效应和光效应都会对晶粒取向造成影响,其中,光效应将原本沿（111）晶面法向生长的晶粒转变成沿（200）晶面法向生长。（4）激光对镀层性能的影响:分别对比了传统电沉积和激光电化学复合沉积制备的镍镀层的耐腐蚀性、耐磨性以及与基体的结合力。在电化学腐蚀实验中,复合沉积制备的镍镀层耐腐性得到提升,自腐蚀电位从-0.42V提升到-0.349V。激光的加入令镀层结构更加致密,有效地阻止了点蚀向边缘和深度方向的扩展。由于晶粒的细化和表面更加平整,激光电化学复合沉积制备的镍镀层在硬度提高了23%,磨损量减少了31%。而镀层与基体结合力的提升很可能是因为激光对阴极基板的细微损伤形成了更多的成核点位。（5）激光电化学复合沉积的技术应用:利用激光电化学复合沉积技术实现了无掩膜的微细定域沉积,包括不同形状的曲线和局部区域面沉积,对比了在不同激光参数对定域沉积的影响。在激光电化学复合沉积Ni-Al2O3金属基镀层时,激光空化形成强烈的微区搅拌有利于纳米颗粒的分散和嵌入基体,实验结果表明,合适的激光参数可以有效地提高复合镀层中纳米颗粒的含量。本文主要创新点在于探究了单个激光脉冲作用时间内不同因素对电流密度的影响机理,指出在空泡膨胀收缩阶段,影响电流密度的主导因素是空泡屏蔽和激光热效应,后期主要影响因素为空泡对溶液形成的搅拌效应;结合双电层及电结晶理论,在不同实验条件下研究分析了激光的热、光和空化等效应对电极反应过程的作用机理,确定了影响镀层晶粒细化和生长取向的主要因素。