随着现代工业的飞速发展,对航空发动机的寿命提出了更高的要求。单一的表面改性手段已无法很好满足更高性能的要求,出现了两种或多种工艺复合起来的复合表面改性手段,并得到了快速发展。M50Ni L钢是为新一代航空发动机研制的一种新型渗碳钢,已广泛应用于轴承、齿轮。目前,关于M50Ni L钢的研究主要集中在渗碳处理,性能研究也多以接触疲劳性能和摩擦磨损性能为主,而对M50Ni L钢的复合表面改性研究及高周疲劳性能的研究较少。为此,本文以M50Ni L钢为研究对象,先对M50Ni L钢进行渗碳处理,再分别对其进行表面形变强化处理（表面超声滚压、磨料水射流喷丸及表面超声滚压+磨料水射流喷丸）和等离子渗氮处理,探究了不同处理对表面完整性的影响。研究了三种状态试样的拉压疲劳极限和疲劳强化机理,为M50Ni L钢的复合表面改性处理研究和应用提供理论依据。研究了渗碳M50Ni L钢的表面完整性及拉压疲劳极限。渗碳温度950℃,渗碳时间90 min时,试样表面硬度为695 HV0.1,总渗碳层深度为1200μm,试样表面残余应力为-103 MPa,平均表面粗糙度Ra和Rz分别为0.13μm和0.81μm。渗碳M50Ni L钢的疲劳极限为412 MPa,疲劳裂纹萌生位置在试样表面,疲劳失效机理为“表面缺陷诱导疲劳失效”,渗碳层高硬度、试样表面缺陷引起的应力集中和表面低的残余压应力是表面失效的原因。研究了渗碳+超声滚压高能复合改性试样的疲劳性能,高能复合表面处理后,试样表面残余应力和硬度值均提高,表面残余应力提高至-1320 MPa,表面硬度提高至750 HV0.1,同时表面粗糙度大幅度降低,Ra和Rz分别降低46.1%和40.7%。高能复合表面处理后,试样疲劳极限为676 MPa,疲劳极限较渗碳试样增加64.1%。疲劳裂纹萌生位置从表面转移至试样的基体区域,疲劳裂纹源为基体中的非均匀组织,疲劳失效机制为“基体非均匀组织诱导疲劳失效”。高能复合改性后试样疲劳性能的提高是表面高残余压应力、表面加工硬化和表面低粗糙度的综合作用。研究了渗碳+渗氮复合渗试样疲劳性能。复合渗处理后,渗氮层深度为90μm,表面硬度达到1121 HV0.1,表层残余压应力达到-998 MPa。复合渗处理后疲劳极限为777 MPa,疲劳极限较渗碳试样增加88.6%。疲劳裂纹萌生位置从表面转移至试样的基体区域,疲劳裂纹源为基体中的非均匀组织,疲劳失效机制为“基体非均匀组织诱导疲劳失效”。复合渗处理后试样疲劳性能的提高是表面高残余压应力、表面高硬度的综合作用。复合渗试样的疲劳极限比高能复合改性试样增加约15%。此外,在最大应力σa=800 MPa下,高能复合改性试样的拉压疲劳寿命比渗碳试样增加30倍,复合渗试样的拉压疲劳寿命比渗碳试样增加104倍,复合渗试样的拉压疲劳寿命比高能复合改性试样增加2.4倍。与高能复合改性试样相比,复合渗试样的疲劳裂纹门槛值更高,疲劳二次裂纹长度更长且数量更多,疲劳裂纹扩展路径更为曲折,裂纹扩展的抗力更高;此外,复合渗试样的疲劳裂纹扩展速率更低。残余应力松弛试验表明,复合渗试样比高能复合改性试样有更高的残余应力稳定性,高的残余应力稳定性是复合渗试样疲劳性能更好的原因。