Al-Si合金由于具有较高的比强度和导热性,较低的热膨胀系数和易于加工等优异性能,广泛应用于汽车和坦克发动机的热端部件中。随着发动机向高转速、高性能的方向发展,对Al-Si合金的力学性能和耐热性能提出了更高要求,表面改性是提高其综合性能的最行之有效的方法。但是对于Al-Si合金来说,单一的表面处理方法很难满足综合性能的要求,复合表面处理是改善综合性能的有效途径。本论文通过激光冲击强化(LSP)的表面改性技术改善Al-Si合金基体组织,提高力学性能,在此基础上,通过在铝合金表面原位生长陶瓷层的等离子体电解氧化(PEO)技术对表面改性层进行组织重构,进一步提高Al-Si合金的耐热性能,增强膜基结合强度,并建立复合改性层组织结构及性能演变规律。采用金相显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜研究了 LSP前后Al-Si合金组织和形貌的变化,并采用Image pro plus软件对合金中组织的变化进行统计,结果表明:Al-12Si合金经过激光冲击强化后,表层粗大不规则初生硅粒径由40μm减小至20μm,并且分布更为均匀,部分初生硅还发生了碎化分离现象,Al7Cu4Ni相和Al3CuNi相在激光冲击后平均粒径减小了约50%,并且部分聚集的Al7Cu4Ni相出现了分散现象,Mg2Si和Al2Cu相在激光冲击前后变化不明显。随着激光能量和冲击次数的增加,相的尺寸和形貌的变化更为明显。与此同时,LSP还可以显著减小合金中晶粒的晶面间距,并打乱其晶体学取向。利用HRTEM研究了 LSP过程中激光能量和冲击次数对Al-12Si合金表层组织的影响,结果表明:改变激光的冲击能量和冲击次数均使合金表层的组织发生了明显的变化,随着激光能量的增加,合金表层出现以位错线为主的结构,并且位错线有聚集成簇的现象,增加冲击次数会使合金表面的位错密度增加,其分布形态也由平行结构排列变为大量随机纵横交错排列。沿着冲击深度方向,利用TEM和HRTEM研究了 LSP对Al-12Si合金不同深度层组织的变化,结果表明:合金在LSP后出现了四种过渡层:纳米晶-非晶的镶嵌结构区、高密度位错区、低密度位错环区和基体区。随着冲击深度的增加,位错密度呈先增加再减小的趋势,晶粒尺寸呈逐渐增大的趋势。通过X射线衍射(XRD)研究了激光冲击强化前后Al-12Si合金的物相变化,结果表明:与铝硅合金基体相比,经过LSP的铝硅合金的Al2Cu峰和Mg2Si衍射峰没有明显变化,Al3CuNi峰和Al7Cu4Ni峰位置发生了明显的Bragg宽化现象,说明合金在激光冲击后晶粒尺寸有明显的减小,且随着冲击能量和冲击次数的增加,晶粒尺寸的变化愈加明显。合金在LSP过程中出现了与基体呈非共格关系的AlCu3新相,且AlCu3衍射峰的强度随着激光冲击能量和冲击次数的增加而增加。使用X射线残余应力分析仪和硬度仪对LSP前后合金的残余应力和硬度变化进行了研究,结果表明:LSP向合金中引入了 143 MPa的残余压应力,随着冲击能量和冲击次数的增加,合金表面的残余压应力逐渐增加,最终趋于稳定。硬度测试结果表明Al-12Si合金经过LSP后硬度可以达到145 HV,且合金表面硬度随着激光能量和冲击次数的增加而增加,LSP可以向合金中引入约250 μm的变形层,随着变形层深度的增加,硬度逐渐降低,最终与基体硬度相同。通过对LSP-PEO复合层的组织和形貌的研究,发现与单纯的等离子体电解氧化涂层相比,复合陶瓷层的放电微孔直径有所减小,膜层表面的孔隙率和微裂纹的数量有所降低,涂层厚度明显增加。经过LSP的PEO陶瓷层从深度方向进行TEM观察可以发现三种不同的组织结构,分别为膜层顶部的片层状Al2O3陶瓷层、膜层中部规则的Al2O3晶体组织以及膜层底部的纳米Al2O3颗粒组织。通过对陶瓷层和基体之间的膜基界面进行研究,发现与单纯PEO结构相比,激光冲击强化-等离子电解氧化(LSP-PEO)复合陶瓷层的膜基界面有大约2nm厚的非晶层。而且界面两端所对应的晶面间距在激光冲击后有增大的趋势。由涂层的XRD分析图谱可知,陶瓷层主要由α-Al,α-Al2O3和γ-Al2O3组成。随着陶瓷层厚度的增加,α-Al含量逐渐减少,γ-Al2O3含量略微增加,α-Al2O3含量明显增加。利用自制隔热装置和热震装置对激光冲击前后陶瓷层的热防护性能进行研究,发现与单纯PEO相比,LSP-PEO复合陶瓷层具有更为优异的隔热性能和热震性能。随着激光能量的增加,陶瓷层的隔热性能逐渐增加,并且在400℃的热震试验中陶瓷层没有明显的裂纹出现。