喷丸是一种常见的被用于提高金属材料表面性能及其疲劳寿命的表面处理工艺,而空化水射流喷丸技术作为一种新型的表面处理工艺,其利用材料表面附近空化泡溃灭瞬间释放的高压冲击反复作用于材料表面,使材料表层发生塑性形变,产生残余压应力场,提高表面硬度,而粗糙度值却不会明显增大,从而有效提高材料表面性能。同时,该工艺所具有的一系列独特优势,如绿色环保、通用性高以及易于实现自动化等,使其正日益成为表面处理技术领域中一个新的研究方向。本文以空化水射流技术为基础,以实现绿色高效的喷丸方式、提高金属材料表面性能为出发点,采用理论分析的方法,对空化水射流喷丸工艺中空化泡的运动与动力学基础、发展溃灭过程以及冲击强化机理进行了分析。采用FLUENT数值模拟方法,对所设计喷嘴(收缩型、角型和风琴管喷嘴)的空化性能进行分析。通过对喷嘴在高压水射流环境下的速度场、压力场以及气相体积分数分布进行对比分析后发现:作为一种空化喷嘴,收缩型喷嘴的空化效果最不理想,风琴管喷嘴在一定程度上能够满足空化生成的需要,但角型喷嘴的空化性能最为突出,其内外流场的空化泡群密度及分布广度均要优于其他两种喷嘴,有利于空化水射流系统的稳定输出。同时,采用试验研究的方法,利用相关设备组装完成空化水射流喷丸装置,选取广泛应用于对零部件表面综合性能要求较高的航空、航天、汽车以及军工等领域中的2A12铝合金材料作为空化水射流喷丸试验的试样,检测并比较分析了不同喷丸工艺参数下材料表面的各项性能,得出本试验环境下的最佳喷丸工艺参数是入射压力P=20MPa,靶距S=40mm,喷丸时间T=4min。经过最佳喷丸工艺参数处理后的试样表面的硬度值约为137HV,较原始试样的表面硬度提高近48.9%;最大残余压应力及其深度则分别达到320MPa、390μm,相对于喷丸前的原始试样分别提升3.7倍、6.5倍;而表面粗糙度值只增加至1.29μm。并且通过观察试样表面的微观形貌,可以明显看到空化泡溃灭冲击影响区的凹凸形貌过渡区连贯平滑,并没有衍生出传统喷丸中常见的尖锐棱边、微裂纹等形变,避免了这些形变处的应力集中,对空化水射流喷丸强化下的金属材料表面性能够起到较好的增益效果。