2Cr13不锈钢被广泛应用于汽轮机叶片、水轮机叶轮等过流部件的生产制造。长期以来,过流部件的气蚀问题严重制约着流体机械的平稳运行。此外,液体中的颗粒也会与气蚀发生耦合作用,共同侵蚀过流部件。激光冲击可以诱导残余压应力层并且使晶粒细化,具有减缓2Cr13不锈钢气蚀和空化-颗粒侵蚀行为的潜力。本课题通过理论计算,设计了激光冲击2Cr13不锈钢的试验参数,采用有限元分析模拟了不同层数激光冲击2Cr13不锈钢的应力应变场,研究了激光冲击前后2Cr13不锈钢表面完整性的变化。在气蚀和空化-颗粒侵蚀试验中,通过研究累积质量损失与侵蚀行为演化,揭示了激光冲击对2Cr13不锈钢抗气蚀以及空化-颗粒侵蚀行为的影响机理。主要研究内容如下:(1)通过理论计算,确定了激光冲击的试验参数,采用ABAQUS有限元软件对2Cr13不锈钢试样进行了不同层数激光冲击数值模拟研究并对2Cr13不锈钢进行了激光冲击试验。计算得出的冲击参数为:激光能量为10 J,光斑直径为2 mm。经过1层、2层和3层冲击后,模拟的平均表面残余应力分别为-366 MPa、-385 MPa和-387MPa,残余压应力层深分别为0.75 mm、1 mm和1.1 mm,应变幅值分别为3.5μm、6μm和9μm。模拟结果表明,表面残余压应力幅值、残余压应力层深和表面应变幅值随激光冲击层数的增加而增加,但是2层冲击和3层冲击试样的表面残余压应力分布基本相同,3层冲击的强化提升效果不明显。残余应力测试的结果与有限元分析的结果具有一致性。(2)研究了激光冲击前后试样晶粒大小、显微硬度和粗糙度的变化。研究表明:激光冲击细化了晶粒,诱导了塑性变形层,增加了显微硬度和粗糙度。试样表层晶粒大小从未冲击的20μm,细化为1层冲击的15μm,和2层冲击的10μm。1层和2层冲击试样的塑性变形层分别为80μm和100μm。未冲击、1层冲击和2层冲击试样的显微硬度分别为270 HV、310 HV和330 HV。沿微沟槽方向三种试样的粗糙度分别为Ra 0.139,Ra 1.436和Ra 2.388,垂直微沟槽方向三种试样的粗糙度分别为Ra 0.236,Ra 1.807和Ra 2.465。(3)在蒸馏水中,对未冲击、1层冲击和2层冲击试样进行了气蚀试验,揭示了激光冲击对2Cr13不锈钢气蚀行为的影响。研究表明:激光冲击延长了孕育期,降低了质量损失,增加了2Cr13不锈钢的抗气蚀性能,且2层冲击试样的抗气蚀性能优于1层冲击试样。未冲击、1层冲击和2层冲击试样的孕育期分别为180 min、210 min和240 min。与未冲击试样(7.88 mg)相比,1层冲击和2层冲击分别使质量损失降至7.19 mg和6.84 mg。在孕育期,随激光冲击层数的增加,微沟槽塑性变形减缓;在加速期,随冲击层数的增加,裂纹扩展的方向趋于一致,材料剥落得到缓解。在衰退期,试样的表面完整性随冲击层数的增加而提高。激光冲击后细化的晶粒承受了更多气蚀变形,增加了气蚀裂纹的扩展抗力,残余压应力层能降低气蚀裂纹尖端应力强度因子幅值,使裂纹扩展速率降低。(4)在不同粒径的颗粒-水混合液中,对未冲击、1层冲击和2层冲击试样进行了空化-颗粒侵蚀试验,揭示了激光冲击对2Cr13不锈钢空化-颗粒侵蚀行为的影响。研究表明:激光冲击降低了侵蚀质量损失,提高了2Cr13不锈钢的抗侵蚀性能,且2层冲击试样的抗侵蚀性能优于1层冲击试样。在0.02 mm颗粒混合液中,未冲击、1层冲击和2层冲击试样的质量损失分别为11.28 mg、10.60 mg和9.70 mg。未冲击试样的破坏形式经历了冲蚀磨损、磨粒磨损、塑性变形和气蚀损伤,激光冲击后试样的破坏形式主要经历了冲蚀磨损、磨粒磨损和气蚀损伤。随着冲击层数的增加,表面的微坑数量减少,微坑直径降低,表面完整性提高。在0.08 mm颗粒混合液中,与未冲击试样(14.66 mg)相比,1层冲击和2层冲击后,质量损失分别降至13.54 mg和12.58 mg。三种试样的破坏均比0.02 mm颗粒混合液中的严重,并且出现岛状结构,随着冲击层数的增加,侵蚀裂纹的长度减少。激光冲击后显微硬度的提高有利于抵抗冲蚀磨损和塑性变形,残余压应力层虽然不能降低侵蚀裂纹尖端应力强度因子幅值,但能延缓裂纹的扩展速率。