研究表明,材料的表面改性技术是满足服役环境对材料表面性能的特殊要求的有效方法,如硬度、强度、磨擦性能和电化学性能等以及热、电、磁等物理性能。其中,将纳米材料引入到表面工程,通过机械力的方法或者其他方式在材料表面得到改性的纳米层会使材料的综合力学性能得到明显提高。目前已有多种金属材料表面自纳米化的工艺方法在多种材料体系中得到较为系统的研究,但大多由于加工的低效率和工艺复杂性,或处理试样表面电化学性能等的不稳定性,其实际应用受到限制。为此,本课题重点探索了一种新型的利用高压纯水射流(High-pressurewaterjetpeening,WJP)实现金属材料表面自纳米化的新工艺,为检验该技术,对比研究了不同形变工艺对材料的微观组织结构演变和纳米化机理及其与性能之间关系的影响,探究了高压水流束压力、喷嘴行走速度和作用靶距等对被处理材料表面质量的影响。并利用金属蒸发真空弧离子注入技术对纳米化表面进行二次复合改性,以期改善和优化材料纳米化之后的耐腐蚀和摩擦磨损性能。本文中主要完成研究内容如下:(1)系统研究了高压纯水射流表面纳米化中压力、喷嘴行走速度和靶距对被处理材料表面质量的影响。(2)利用不同加工形变技术实现了材料表面晶粒的自纳米化。首先,采用快速多重旋转碾压纳米化(Fast multiple rotation rolling,FMRR)工艺处理TA1工业纯钛,制备得到厚度约100μm的表面变形层,碾压时间增加至60min,表层晶粒细化至约50nm;然后,采用高压水射流技术在316L不锈钢表面制备得到改性纳米层,通过调整高压水流压力、喷嘴行走速度和靶距,发现当P0=200MPa,VTr=400mm/min时,316L不锈钢表面变形层较浅,表层晶粒平均尺寸约为46nm,变形过程中发生α’-马氏体相变;当水流压力Po=100MPa,VTi=400mm/min时,TA1工业纯钛表层晶粒细化至44nm。(3)316L不锈钢是一种具有中等层错能的材料,变形时孪生和位错运动同时作用,晶粒细化进程中随应变的增加,位错产生积累、应力集中诱发机械孪生、高密度位错分割孪晶、晶界取向差增大,最终形成纳米晶粒。而室温下小应变量的纯钛材料变形以孪生为主,随着变形的进行,被孪晶晶界阻挡的位错得到积累,对孪晶进行分割使晶粒细化。(4)研究了 FMRR和WJP两种工艺制备的纳米结构层对TA1工业纯钛和316L不锈钢材料显微硬度、拉伸力学性能、摩擦磨损性能和耐电化学腐蚀性能的影响。FMRR-SNC处理60min后TA1工业纯钛的表面硬度达到278Hv,拉伸试样厚度d=2mm时,试样拉伸强度σb为423MPa,高于原始试样约33MPa。WJP-SNC处理后的纯钛表层晶粒尺寸相差不大的情况下表面硬度较低,约为261Hv,试样拉伸强度σb为475MPa。WJP-SNC处理的316L不锈钢试样表面硬度为325Hv,是基体硬度的1.5倍,试样拉伸强度σb和屈服强度σ0.2分别为650MPa 和 580MPa,均优于 FMRR-SNC 处理试样(σb,608MPa,σo.2,365MPa)。WJP-SNC试样在相同条件下的拉伸强度和屈服强度均优于FMRR,但延伸率下降较大;经WJP-SNC处理后材料硬度和强度的提高为细晶强化、加工硬化和相变等因素共同导致。表面纳米化处理使工业纯钛表面的摩擦系数减小。FMRR-SNC处理60min后试样摩擦系数由原始试样1.1下降至0.6,WJP-SNC处理之后的试样摩擦系数降低至0.7。纳米化之后材料硬度的增加是耐磨性能提高的主要原因。表面纳米化处理后材料表面质量的下降、晶界增多、马氏体相变以及高密度位错等原因使316L不锈钢表面耐腐蚀性能下降。FMRR-SNC处理60min后试样的击破电位由原始试样的0.5V下降至0V,维钝电流有明显增加(由～10-6A/cm2增加至10-5A/cm2);WJP-SNC处理之后的试样耐腐蚀性能变化与FMRR-SNC 一致。(5)316L不锈钢表面碾压纳米化处理有效增加了 Al、Ti离子的注入射程和原子浓度。Ti离子注入对316L不锈钢的耐腐蚀性能改善作用最为明显,可以使碾压后的316L不锈钢的耐蚀性与原始试样水平相当。TA1工业纯钛中A1离子的注入可进一步提高WJP-SNC处理TA1的表层硬度,最高可达310Hv;硬度的显著提高使表面的摩擦系数维持在0.15～0.2较低范围内。该研究提出了一种可用于加工复杂形状、高效清洁的高压水射流纳米化新工艺,以解决现有金属材料表面自纳米化工艺现存的低效率、工艺复杂等问题,并对纳米化/离子注入复合改性进行初步研究,探究纳米化预处理对离子注入的促进作用以及离子注入化学改性对耐蚀性能等的影响,对于利用纳米化表层拓展其在工业实际生产中的应用范围具有理论和现实意义。本论文得到国家自然科学基金(No.8171463)的资助。