TC4合金是一种中等强度的两相钛合金,该合金具有优异的综合性能,在航空航天领域主要用于制造发动机的风扇、压气机盘及叶片,因而多服役于高温、高压等严苛环境。随着航空航天的迅速发展,对TC4合金的性能和使用可靠性提出了更高的要求。TC4合金的主要失效形式一般始于其表面,因而制备出一定厚度的纳米结构表层,即表面纳米化,就能够发挥纳米晶的优势而提高其整体性能和服役寿命。基于上述目的,本文研究了采用喷丸方法制备TC4合金表层纳米晶的组织结构和性能与形成机制,主要研究内容和结果如下:本文采用MP6000PT型气动式喷丸机在空气压力0.150.35 MPa和喷丸时间1560 min下对TC4合金进行了处理,并采用X’Pert Pro MPD型X射线衍射仪、Supra 55型扫描电镜和Tecnai G2 F30型透射电镜研究了空气压力和喷丸时间对TC4合金表层组织结构的影响。研究结果表明:当空气压力大于0.25 MPa和喷丸时间大于30 min时,采用喷丸方法在TC4合金表层制备出的纳米晶层最大厚度为40μm,纳米晶最小尺寸为24.5 nm。随着空气压力的增大和喷丸时间的延长,TC4合金喷丸表面的纳米晶尺寸减小。TC4合金喷丸后的塑性变形层由喷丸表面沿深度方向依次为:等轴纳米晶区、等轴超细晶区、拉长超细晶区、细晶区和低应变基体区。此外,本文采用Shimadzu HMV-2T型显微维氏硬度计和C130型激光共聚焦显微镜研究了空气压力和喷丸时间对TC4合金显微硬度和表面粗糙度的影响。研究结果表明:随着空气压力的增大和喷丸时间的延长,TC4合金的表面粗糙度增大;TC4合金显微硬度由基体的315 HV0.025增大至表层的486HV0.025,提高了54.3%。通过透射电镜观察,分析了TC4合金在空气压力为0.25 MPa和喷丸时间为60 min时的表层纳米晶形成机制,具体如下:α相内多系滑移和单系孪生开动,形成位错缠结和单系拉伸孪晶,同时β相内位错在α相高密度位错结构（如位错缠结）与相界交割处或附近区域的β晶内进行滑移;α相内部分位错缠结吸收位错形成位错带,位错缠结、位错带和孪晶分割α原始晶粒为拉长超细晶,同时β相内位错大量增殖形成位错缠结和位错墙;在α相拉长超细晶内部沿晶粒短轴方向重复上述过程,α相拉长超细晶被分割为等轴超细晶,同时β相内位错墙及位错缠结逐渐转变为大角晶界,分割β原始晶粒为等轴超细晶;α相和β相等轴超细晶通过亚晶转动发生动态再结晶而形成随机取向的等轴纳米晶。此外,变形诱导少量α相等轴超细晶发生由密排六方结构向面心立方结构的转变,进而通过孪晶与孪晶及孪晶与位错间的交互作用而形成等轴纳米晶。通过透射电镜观察,分析了TC4合金在空气压力为0.25 MPa和喷丸时间为60 min时α相和β相的协调变形机理。研究结果表明:当10<dα/dβ（dα为α相平均晶粒尺寸,dβ为β相平均晶粒尺寸）≤30时,β相显著促进了α相的位错增殖;当3<dα/dβ≤10时,α相显著促进了β相的位错增殖;当dα/dβ≤3时,处于有利取向的一相优先塑性流动并显著促进了相界处另一相的位错增殖,进而促进了α相和β相等轴超细晶的亚晶转动和等轴纳米晶的晶粒细化。基于透射电镜分析结果,研究了TC4合金在空气压力为0.25 MPa和喷丸时间为60 min时α相和β相纳米晶塑性流动的尺寸效应。研究结果表明:对于密排六方结构α相,当纳米晶尺寸大于20 nm时,其塑性流动机理主要以位错运动为主,同时存在极少量的{1011}<1012>型压缩孪晶及层错;当纳米晶尺寸小于20 nm时,其塑性流动机理为晶界滑移。对于面心立方结构α相,晶界发射不全位错为不同尺寸纳米晶的主要塑性流动机理;此外,当纳米晶尺寸大于15 nm时,塑性流动机理还包括全位错运动;当纳米晶尺寸小于15 nm时,塑性流动机理还包括晶界滑移。对于β相,当纳米晶尺寸大于10 nm时,其塑性流动机理主要以位错运动为主,同时存在少量层错;当纳米晶尺寸小于10 nm时,其塑性流动机理为晶界滑移。