1. 研究目的与意义

发展现状和发展趋势

高压水射流喷丸是zafred在1990年首创的一种金属表面强化技术，由于可以精确控制水介质的流动以及射流速度、入射角、喷嘴直径等工艺参数，该技术能对一些形状复杂的零部件表面进行强化，具有极好的通用性。经过多年的发展，该技术目前已包括高压纯水射流喷丸、高压脉冲水射流喷丸、磨料水射流喷丸以及空化水喷丸等多个分支。

国外研究现状：1968年，r.e.kohl^[19]首先提出将空化运用到高压水射流中，由此展开了对空化水射流的研究，并在此基础上发展出空化水射流喷丸工艺。1999年soyama^[20]等首先对空化水射流在改善零部件表面性能等方面进行了相关探究，研究发现经空化水射流处理后的零部件表面残余压应力值得到了显著提高，开创了空化水射流在喷丸强化材料表面方面的有益应用。2003年dan odhinambo^[21]等人利用空化水射流喷丸工艺处理铬钼合金钢表面，通过不断调整相关工艺参数，经过最佳空化水射流喷丸工艺参数处理后的铬钼合金钢的表面光洁度要优于普通的机械喷丸。2005年h.tsuda、d.y.ju^[22]等人利用空化水射流喷丸处理有着复杂形状和结构的钢齿轮轴，通过分析对比经喷丸前后的零件表层的残余应力场，结果表明空化水射流喷丸可以有效提高材料表面的残余压应力值。2009年b.han^[23]等人从表层材料微观组织的变化角度探究了空化水射流喷丸使材料表面发生小变形却产生大残余压应力的原因，通过进行喷丸处理纯ti材料，并对处理后的试样表面使用扫描电镜观测发现：冲击影响区的表层组织的确存在孪晶和位错等微观组织变化。2011年ju^[24]等研究了空化水射流喷丸工艺在提升钛合金焊缝强度及其机械性能方面的效果，并用x射线应力测定仪检测了钛合金焊缝处的残余应力场，最终得到了空化水射流喷丸时间与应力场的关系曲线。2012年kim^[25]等利用空化水射流喷丸处理铝合金材质的船体表面以提高其抗腐蚀性能，并寻求最佳的喷丸时间，研究发现对于5456-h16和5083-h321这两种铝合金材料，不同的喷丸工艺参数对空化水射流喷丸所获得的材料处理效果影响巨大。2013年hitoshi soyama^[26]等展开了对各型喷嘴空化性能的研究，最终发现缩放型喷嘴具有较好的空化效果，且喷丸过程中靶距的控制以及时间的掌握尤为重要。2014年hitoshi soyama^[27]等人将导引圆管与空化喷嘴相结合，研究了导引管与喷嘴的最佳装配结构。2016年fumiotakeo^[28]等利用特制的空化喷嘴，分别使用空化水射流喷丸和传统机械喷丸工艺，处理试样上圆孔周边区域以提高其疲劳寿命。通过在单轴拉伸载荷下的疲劳试验得到寿命与施加应力曲线，并使用sem检查断裂表面，而且还结合残余应力测量与电化学抛光对残余压应力相对于圆形边缘孔周围壁的深度分布进行了评估，结果表明：通过空化水射流喷丸处理的试样寿命几乎是原始试样的25倍，同时试样的最大残余压应力值提高了258%，疲劳寿命也增加了18%，与此相反，传统机械喷丸强化反而降低了试样寿命，经过分析发现是由于其导致在圆孔边缘处形成一个滚动层，在此处会引起应力集中从而产生裂缝，加速试样的疲劳损坏。

2. 研究内容和问题

1.基本内容：

用空化射流对金属材料进行冲击，利用空泡在材料表面溃灭时的冲击波及微射流水锤作用，可使材料高压水射流技术具备冲击力强、高效、清洁等优点，被广泛应用于船舶清洗、矿产开采以及金属切割等领域。当高压水射流处于淹没状态时，射流边界在强剪切作用下产生大量空泡，通过对流场中空泡的合理利用，可以在同等工作压力下使射流的冲击性能得到显著提高。采表层晶粒结构发生变化，提高表面硬度并形成残余压应力，从而达到提高材料表面性能的效果，但是如果对空化射流控制不当，强烈的空泡冲击则可能对金属表面产生汽蚀破坏。针对上述问题，本课题将研究靶距、压力、时间等冲击参数对合金材料表面强化作用的效果，分析空泡冲击作用对材料表面组织的影响及强化机制，最终获得针对给定材料的最优冲击参数。

3. 设计方案和技术路线

1.研究方法：

本课题的研究过程主要采用试验测试，结合先进的表征和测试技术，查阅相关手册和参考文献。

2.技术路线：

4. 研究的条件和基础

1.基础条件：

1、冲击射流理论学习

2、相关流体力学的学习