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强流脉冲离子束（HIPIB）辐照作为高功率载能束加工新技术,产生的非平衡热学和力学效应可造成零件表面完整性的显著变化,其中,表面残余应力被广泛认为是决定零件抗疲劳性能重要的加工表面完整性参数。然而,高功率载能束辐照过程中的工艺参数、零件材料与几何结构等因素共同作用下,表面残余应力变化规律复杂,用试错法进行辐照参数选择,零件性能改善与预测受限。因此,亟待探明HIPIB辐照热-力耦合效应对加工表面残余应力的影响机制,为基于知识的载能束辐照工艺优化提供理论依据。本文以聚变堆用金属W为研究对象,利用加工过程印记（Process signature）研究方法,即厘清工艺过程对表面完整性作用的物理机制、旨在建立考虑工艺的影响又不依赖具体工艺参数的温度场和应力场等材料加工载荷与表面完整性的定量关联,开展了HIPIB辐照加工金属W的实验与数值模拟研究,掌握了 HIPIB能量密度、脉冲宽度等辐照参数对金属W温度场与耦合应力场的作用规律,揭示了金属W表面残余应力形成机制,解释了 HIPIB辐照参数变化造成表面残余应力分布规律不同的原因,探讨了建立不依赖辐照参数的关于表面残余应力的载能束加工过程印记特征关系,为高功率载能束加工工艺优化提供可行的原理。主要研究结果包括:（1）研究了 HIPIB辐照束斑能量空间分布的红外热成像方法,开展了 HIPIB输出特性优化实验,获得的离子束能量密度波动约12%,稳定性显著优于常规HIPIB设备高达～50%的波动。在此基础上对金属W进行了能量密度2.1 J/cm2、4.2 J/cm2室温辐照,以及4.2 J/cm2下200℃和600℃预热辐照等实验研究。各辐照参数下,金属W均保留了辐照前的体心立方相结构。室温辐照金属W表面出现网状微裂纹、深度约20-30 μm,预热辐照金属W表面微裂纹密度减少,深度减小至10-15 μm。能量密度2.1 J/cm2和4.2 J/cm2辐照金属W表层残余应力呈现拉应力状态,具有随深度“先增加后降低”分布趋势,外表面残余应力约860-960 MPa,应力峰值出现在3 μm亚表面,约1300-1400MPa,而预热辐照试样的外表面残余拉应力降低至550-650 MPa。实验结果表明,不同HIPIB辐照参数可导致金属W表面残余应力幅值及其分布特征的显著变化。（2）大范围选择能量密度0.5-4.2 J/cm2和脉冲宽度70 ns、7 μs及70 μs辐照参数,利用实验验证的HIPIB辐照金属W热-力耦合模型计算分析了不同程度热-力耦合效应下的金属W温度场和应力场演变规律。相同70ns脉冲宽度下,增加辐照能量密度造成了更显著的热效应,获得更高的表面温度及温度梯度,4.2 J/cm2辐照表面最大温度4988 K,是唯一超过金属W熔点3683 K的辐照条件,0.5 J/cm2辐照表面最大温度1007 K,低于金属W的再结晶温度1473 K;4.2 J/cm2能量密度下,长脉冲的辐照功率降低,表面最大温度及温度梯度均较低,但脉冲时间内的热扩散深度增加。短脉冲70 ns能量密度1.07-4.2 J/cm2辐照金属W表层在加热和冷却阶段均发生了塑性变形;较低能量密度0.5 J/cm2和长脉冲7 μs辐照金属W表层仅在加热阶段发生塑性变形;70 μs辐照只有弹性变形,冷却后完全回复而无残余应力形成。高、低能量/功率参数辐照金属W产生了两类应力-深度分布特征:0.5-1.07 J/cm2和7 μs辐照形成的残余应力随深度单调减小;2.1-4.2 J/cm2的残余应力随深度呈先增加后降低趋势,相应的残余应力峰值处于亚表面。（3）研究了 HIPIB辐照金属W温度场-应力场的弹塑性应变变化规律,及其对残余应力的影响,揭示了残余应力的形成机制。金属W表层各深度塑性应变的临界应力和温度分别处于810-947 MPa和580-640 K范围。不同辐照参数下塑性变形区内的残余弹性应变随残余塑性应变增加均线性增长,且直线斜率依赖辐照参数略有变化、但截距显著变化。残余应力随残余塑性应变增加也有相同的依赖工艺参数变化的线性关系,而残余应力随残余弹性应变具有不依赖工艺参数的单调增加的线性关系。因此,HIPIB辐照金属W表层不均匀塑性应变产生的残余弹性应变,是残余应力形成的主要机制,特别是较高能量密度HIPIB辐照金属W表面在冷却阶段也产生了塑性变形,且与加热阶段应变方向相反,当反向应变量较大时导致表面残余弹塑性应变低于亚表面,解释了较高能量密度辐照残余应力峰值处于亚表面的现象;此外,建立了残余应力零点位置与塑性应变深度及梯度的对应关系。以上机制也澄清了磨削、感应加热等工艺建立的温度梯度与残余应力、温度场参数（?）与残余应力零点位置等对应关系均不适用于更大温度梯度的载能束工艺的原因。（4）考虑不同HIPIB辐照参数下残余塑性应变与弹性应变对残余应力的不同作用规律,采用热力学描述了残余应力形成过程,分析塑性变形过程的能量耗散行为,建立以能量转化与耗散规律描述残余应力形成的加工过程印记关系。HIPIB外部热能输入转变为内部热能和弹塑性应变能,其中塑性应变能βEML,p（β>0.9）主要耗散为二次热能,对最大热能产生贡献,剩余塑性应变能转变为存储弹性应变能,导致残余应力的形成。HIPIB能量密度、脉冲宽度、预热温度等不同参数下存在不同的塑性应变能耗散过程,解释了残余塑性应变与弹性应变对残余应力影响不同的原因。在此基础上,进行了 HIPIB辐照金属W加工过程印记灵敏度定量分析,以最大灵敏度确定了特征材料加工载荷——存储弹性应变能及其与残余应力的加工过程印记特征关系,并由4.2 J/cm2下辐照200-800℃预热金属W的数值模拟及实验结果分析,进一步验证了该特征关系的普适性。这种考虑了辐照工艺过程影响但又不依赖具体工艺参数的加工过程印记关系,适用于所有高功率载能束工艺,为依据性能要求优化载能束工艺参数提供了基于知识的解决路径。