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采用空化水射流方法对工业纯钛表面进行不同时间的空化水喷丸处理,用光学显微镜、扫描电子显微镜和透射电镜对处理后试样的表面形貌、显微组织结构等进行了分析,并对试样空蚀损伤和表面强化进行了研究。结果得出,根据空蚀损伤程度和淹没式水射流的流动特性,可以把损伤区分为一次空化水射流损伤区(一次射流区)和混合空化水射流损伤区(混合射流区)。在损伤严重的一次射流区,工作压力为30MPa时,喷丸很短时间内(5min),表面就出现塑性变形坑、空蚀针孔和形变孪晶。随着喷丸时间的延长(20~30min),在孪晶界等区域开始出现裂纹萌生和扩展,喷丸60min时表面已出现金属大量剥落的严重损伤。混合射流区的损伤速度明显低于一次射流区,该区域在空化水喷丸过程中的主要变化是孪晶数量的增加和裂纹的萌生、扩展,而没有塑性变形坑和空蚀针孔。空化水喷丸可以使纯钛表层组织中的孪晶数量增加,但在相同空化水喷丸工艺中,混合射流区的孪晶层厚度明显高于一次射流区。空化水喷丸过程中,先形成一次孪晶,后形成次生孪晶以及孪晶交割。孪晶数量和尺寸随时间的增加而增加,单个孪晶的最大尺寸约为120μm左右,与原始晶粒的最大尺寸相等。在扫描电镜下对30MPa工作压力,空化水喷丸20min后的试样进行EBSD分析,发现试样表层有一定的残余应力。空化水喷丸过程中,纯钛试样表面一次射流区的粗糙度上升速率较大,粗糙度上升最快的时间段是20min~30min;混合射流区粗糙度上升速率相对较小,上升最快的时间段是20min~30min。在工作压力为30MPa下空化水喷丸时,一次射流区的粗糙度最高2.92μm,低于机加工要求的粗糙度。空化水喷丸可以使纯钛试样的表面硬度升高,一次射流区的最表面硬度高与混合射流区,但硬化层深度小于混合射流区。硬化效果最好的喷丸工艺为工作压力30MPa,喷丸时间30min~60min之间,30MPa下水喷丸30min时,纯钛表面一次射流区的平均硬度为339HV,混合射流区的平均硬度为269HV。