蠕墨铸铁与AZ91D镁合金分别为黑色金属与有色金属中各具代表性的金属材料,在工业生产中广泛使用。其中,蠕墨铸铁的硬度与蠕变性能较好,但其拉伸与耐磨性能相对较低,是工程应用中亟待解决的技术难题之一。而AZ91D镁合金密度小,比强度与比刚度高,且具有良好的导热性与导电性,但其防腐性能不足,耐磨性能较差,力学性能较低,明显限制了其在工业生产中的进一步应用。为此,本文以蠕墨铸铁和AZ91D镁合金为研究对象,师法自然,模拟树叶、贝壳等生物特有的形态、结构与材料分布特征,采用激光制备技术,在蠕墨铸铁与AZ91D上构建形态-结构-材料多元耦合仿生功能表面,致力于这两种通用材料在各自工程领域中服役性能提升。同时,探讨了激光制备工艺的试验稳定性和工艺可控性,分析了该制备工艺在数字化和智能化应用中的前景。本文重点研究了激光制备工艺对蠕墨铸铁与AZ91D镁合金多元耦合仿生表面形态（网格、条纹、桩钉等）、结构分布（宽度、深度等尺度特征）、材料特性（成分优化、结构梯度、晶粒与析出物等）的影响规律,阐明了激光工艺参数与仿生耦合表面的硬度、拉伸、耐磨、防腐性能的内在关联,揭示了多元耦合仿生设计参数对二者力学性能的强化机理与作用机制。主要研究结果如下:1.采用激光制备工艺分别在蠕墨铸铁和AZ91D镁合金上制备出二元、三元耦合的仿生表面,成功获得了晶粒细化的耦合体组织,发现输出功率或扫描速度等工艺参数是影响耦合体尺度特征值与金相组织内部析出物含量及尺寸的重要因素。2.在针对蠕墨铸铁表面进行材料耦元的仿生设计中,金相成分为Fe3C、马氏体及Al2O3和ZrO2陶瓷相,异质材料耦元Al2O3和ZrO2陶瓷不影响耦合体宏观形态与结构,只影响耦合体微观组织。当陶瓷颗粒含量在2.5wt%-22.5wt%之间变化时,随着陶瓷含量递增,耦合体组织晶粒逐渐细化。3.基于蠕墨铸铁材料的三元耦合仿生表面硬度与拉伸性能较二元耦合仿生表面分别提升2%-3 8%和3%-16%。在激光制备工艺参数恒定条件下,随着A1203陶瓷颗粒含量从2.5wt%增加到22.5wt%,硬度与拉伸性能分别提升71%-121%和11%-24%,随着Zr02陶瓷颗粒含量从2.5wt%增加到22.5wt%,硬度与拉伸性能分别提升77%-132%和23%-3 8%。4.蠕墨铸铁三元耦合仿生表面磨损性能较二元耦合仿生表面提升16%-59%,硬质相的形成是三元耦合表面磨损性能得以提升的主要因素。在激光工艺参数恒定条件下,随着异质陶瓷A1203和Zr02陶瓷含量从2.5wt%增加到22.5wt%时,耐磨损性能分别提升56%-70%和61%-81%。5.在针对AZ91D镁合金表面进行材料耦元的仿生设计中,金相成分为α-Mg和β-Mg17A112金属间化合物,异质材料Al不影响耦合体的形态与结构,随着输出功率增大,耦合体晶粒和β-Mg17A112析出物枝晶尺寸均增大。随着扫描速度提高,耦合体晶粒尺寸和β-Mg17A112析出物尺度特征值均减小。6.在利用激光针对AZ91D镁合金表面进行二元耦合仿生制备后,耦合体硬度与试样拉伸性能均得到提升。随着输出功率从1400W增加到1800W,耦合体尺度特征值增大,硬度与拉伸性能分别提升34%-57%和18%-26%。随着扫描速度从900mm/min减小到3 00mm/min,耦合体尺度特征值亦增大,硬度与拉伸性能分别提升54%-78%和21%-36%。三元耦合仿生功能表面获得的硬度与力学性能与二元耦合仿生功能表面影响趋势相同,耦合体特征尺度越大,仿生耦合表面材料的强度与拉伸性能越高。7.AZ91D镁合金表面经激光仿生制备后,耐磨损性能显著提高。随着输出功率从1400W增加到1800W,耐磨损性能提高65%-71%。而随着扫描速度从300mm/min增加到900mm/min,耐磨损性能提高40%-74%。8.提出比边界长度的概念来表征耦合体区域几何复杂性,用以实现仿生点状和条纹状耦合体形貌几何复杂性和区域边界长度影响的数值化表征与计算。9.基于AZ91D镁合金制备的仿生耦合体电势分布均匀,几乎未形成原电池,因此有利于镁合金防腐性能提升;而耦合体边界区域表面电势分布不均匀,形成大量原电池,对镁合金防腐性能有害,受到耦合体形态的直接影响。耦合体表面形态、分布、面积、边界长度等几何特征是影响仿生功能表面腐蚀行为的重要因素,其中,耦合体比表面积增加会使镁合金整体表面防腐性能得到提升,而边界总长度增大会导致镁合金整体表面防腐性能下降。10.优化出针对蠕墨铸铁与AZ91D镁合金多元耦合仿生制备的多种激光工艺参数,揭示了制备工艺参数对仿生耦合功能表面金相组织、耦合体尺度特征、硬度、力学性能、耐磨性和防腐性等影响规律与作用机制,实现了多元耦合仿生表面激光制备的工艺可控性、性能稳定性与最优化调控。