采用高功率脉冲激光(2~10 GW/cm²)对航空金属材料作用：实现了钛合金、镍基高温合金、铝合金和不锈钢等多种金属材料的表面纳米化，如图1所示。钛合金激光冲击在表层产生的纳米晶层厚度约1um，晶粒尺寸分布为30~300 nm；镍基高温合金形成的纳米晶层厚度为0.5~1 μm，晶粒尺寸范围为30~500 nm；冲击1次表面纳米晶分布还不均匀（图1(a）~(c)），冲击3-5次后，在多种金属材料表面形成了取向随机、等轴状的纳米晶（图1(d）~(F)）。

从不同金属材料激光冲击表面纳米化过程与特征来看，晶粒细化机制主要取决于材料本身的结构与冲击波参数，堆垛层错能(SFE）是一个重要的参数。

在具有高堆垛层错能材料的金属材料中，位错运动是冲击波作用下材料超高应变率塑性变形的主要形式。本文以TC17钛合金为例，分析高层错能材料激光冲击表面纳米化形成机理Tc17钛合金激光冲击后徵观组织沿深度方向特征为：表面纳米组织、距表面2~5 μm的位错胞和亚结构、5~20um的高密度位错。这种沿深度分布的特征也在一定程度上说明了激光冲击波作用下，金属材料微观组织变化规律与演化机制。

高压等离子体冲击波是形成高应变率塑性变形的能量戟体，是形成表面纳米化的直接动力。当冲击波压力达到一定阈值时，首先在材料中形成位错，Meyers为此提出了均匀位错成核模型，在冲击波作用下，单轴应变状态产生的偏应力会使晶格扭曲，当应力达到某一临界值，位错在冲击波阵面上或其附近均匀成核。在冲击波的进一步作用下，位错发生滑移、积聚、相互作用、缠结、湮灭、重排等协调塑性变形。具有高层错能的金属及合金进行塑性变形时会很快地形成胞状结构。此外，激光冲击波在金属材料表面诱导的应变速率非常高(106s-1)，可产生更高的流变应力和更高的位错密度，更容易形成间距在纳米量级的位错胞，如图2(c)所示。

冲击波持续作用下,位错运动进而形成纳米晶。在这个过程中,有可能发生动态再结晶。激光冲击形成的塑性变形应变率非常高，而高应变率变形过程往往是绝热过程，且变形做功转化为热量，引起材料温度升高。在温升和剧烈塑性变形条件下，表层材料发生连续动态再结晶。位错胞进一步运动诱导产生纳米晶。这个阶段发生两个过程：1)纳米尺寸的位错胞在温升和冲击波塑性变形共同作用下，向亚晶粒/晶粒结构的转化；2)生成的亚晶界通过短程移动形成大角度晶界,进而形成纳米晶。

冲击次数对表面纳米晶尺寸和分布特征有看较大影响。一次冲击后,纳米晶分布不均匀，多次冲击波作用后，表面就可形成均匀的纳米晶，增加冲击次数可以给位错运动提供更多的时间和能量，使得组织变化更加均匀。

激光冲击表面纳米化后表面到深度呈梯度变化的晶粒有效提高了金属材料的疲劳性能表层晶粒尺寸细小而均匀，在裂纹萌生阶段,裂纹驱动力可由更多细小的晶粒所承受。晶内和晶界的应变梯度小应力集中较小。因而材料受力均匀裂纹不易萌生在裂纹的扩展阶段。由于纳米晶结构的晶界体积分数高:微裂纹将在晶界处受到阻碍：同时一旦微裂纹穿过晶界后，基体晶粒存在高密度位错,扩展方向就会发生改变,必然消耗更多的能量，从而使微裂纹不易扩展。

由于表面纳米晶和残余应力对疲劳性能的作用机理是不同的，所以在疲芳性能影响因素的分析中往往将二者区别对待，但是，事实上表面纳米化过程中必然伴随看残余应力的产生，两者相互影响，很难将其对疲芳性能的影响单独分离。在很多服役环境下，两者共同提高材料的疲劳强度。激光冲击强化的复合强化机理也是围绕这两个因素来展开研究。对于低温部件，残余压应力和纳米晶同时起强化作用对高温部件。残余压应力大部分松弛纳米晶起主要强化作用。