钛合金密度小、比强度高、抗腐蚀性能优异,被广泛的应用于航空航天、石油化工等领域,具有“现代金属”和“太空金属”等美称。其中Ti-6Al-4V（TC4）合金由于其优良的综合性能,使用量达到了钛合金总使用量的75～85%。TC4合金的疲劳失效多始于材料的表面,表面纳米化技术成为了提高其抗疲劳性能最有效的途径之一。然而金属材料的高周疲劳性能具有高的组织敏感性,因此将初始微观组织与表面纳米化紧密联系起来就显得至关重要。基于上述目的,本文采用高能喷丸（HESP）技术在等轴和片层两种组织TC4合金表面制备表层梯度纳米结构,对其晶粒纳米化机制和疲劳性能进行了研究,主要的研究内容和结果如下:采用金相显微镜、D8 Advance A25型X射线衍射仪、JEM-200CX型透射电镜、LEXT OLS4000型激光共聚焦显微镜和401MVD型维氏硬度计对HESP处理后两种组织的表层梯度纳米结构进行了表征,结果表明:经表层HESP处理后,等轴和片层组织TC4合金最表层纳米晶尺寸分别达到为18.9nm、17.1nm,表层粗糙度Ra分别为4.34μm、2.44μm;HESP处理后的等轴和片层两种组织TC4合金最大残余压应力都位于次表层,最大残余压应力分别为-906MPa、-859MPa;等轴组织显微硬度从320 HV提升到394 HV,提升了23.1%;片层组织显微硬度从340HV提升到407 HV,提升了19.7%。采用透射电镜对两种组织TC4合金的纳米晶形成机制进行分析,结果表明:孪生在等轴组织TC4合金的纳米化过程中起重要作用,孪晶和位错胞等结构将粗大的原始等轴晶粒分割成小尺寸的亚晶,最终形成随机取向的等轴纳米晶;片层组织TC4合金中α相较β相优先发生变形,片层α相的晶粒细化在位错运动和孪生的协同作用下进行,β相的晶粒细化由位错运动主导,在大的应变量下,片层状形貌消失,亚晶发生转动,最终形成等轴的纳米晶。通过拉-拉疲劳试验研究了表面纳米化对两种组织TC4合金高周疲劳性能的影响,结果表明:经HESP处理后,等轴组织TC4合金疲劳极限从489MPa提升到555MPa,提高了13.5%;片层组织疲劳极限从381MPa提升到506MPa,提高了32.8%;断口分析表明HESP处理可以阻碍和延缓疲劳裂纹的萌生和扩展,等轴和片层组织经HESP处理后疲劳裂纹源都转移到次表层,且疲劳条带更密集;HESP处理后表层局部疲劳强度大于外加荷载,使材料薄弱区域转移到次表层;HESP处理使等轴组织TC4表层晶粒更加均匀,从而减弱了应力应变集中,可以细化片层组织粗大的β晶粒,减小位错的有效滑移距离,从而延缓裂纹的萌生。