钛及钛合金表面强化技术的研究进展

纳米处理作为一种新的表面处理技术，在不改变钛及钛合金表面材料成分的情况下，仅利用物理和化学手段就可以实现待处理材料上层的深度细化到纳米级，从而从根本上解决材料表面的疲劳问题，进一步提高钛及钛合金的耐腐蚀性能，在实际应用中还可以提高耐磨性。通过喷丸、超音速粒子轰击等手段，使处理工具与工件表面充分作用，使钛及钛合金的表面晶粒被机械方法破碎，再经过深度细化后表面得到强化。对TC4采用高能喷丸表面纳米化技术，可以保证晶粒尺寸接近20nm，并借助表面硬度高于原材料的硬化层，提高材料的抗疲劳性能。而TA2处理后，晶粒尺寸接近30nm的纳米表层形成形变孪晶，可以提高材料的硬化程度。特别是我国在623K条件下对钛及钛合金的处理优于美国的相关规范，目前在事业上处于领先水平。Ti-6Al-4V合金经超音速粒子轰击处理后，其表面可衍生出纳米等轴组织，晶粒尺寸为20nm，使合金表面硬度比原材料提高一倍以上。但这种表面纳米化处理由于起步较晚，并没有得到广泛的推广。

表面扩散和离子注入

不同于表面纳米化处理，表面扩散和离子注入是在钛合金基体中掺杂金属或非金属材料，改变其表面结构成分，借助改性层提高钛合金基体的表面电阻。如钛及钛合金表面渗氮、碳等非金属材料，或扩散铝、钼等金属材料，以提高钛合金基体的耐磨性和耐腐蚀性。采用栅极阴极辉光放电法在TC4基体表面渗钽，可有效提高TC4基体的耐蚀性。采用固体粉末包埋法和制备渗钼层可以极大地改变TC6表面的相结构，使TC6的表面硬度提高到1400 HV。目前，随着科学技术的快速发展，真空技术的理论研究和应用深度逐渐提高，可以从原来的表面渗透技术衍生出一种离子注入技术。例如，TA7钛合金的表面硬度可以通过离子渗氮提高到1200HV。经电弧辉光等离子无氢渗碳处理的Ti6AI4V合金表面硬度可达935HV，并表现出很强的耐磨性。Ti6Al4V合金也可以采用液体等离子体电解碳氮共渗技术进行处理，从而在合金表面生成一层由钛沉积而成的硬质涂层。用这种方法增加钛合金的处理时间，可以有效地增加硬质渗碳层的厚度，提高钛合金的耐磨性。

表面涂层技术

基体材料表面经过相应的工艺处理，通过复合涂层与基体材料在基体材料表面产生防护涂层，具有良好的化学和热性能。表面涂层的耐腐蚀性和耐热性可以用来降低生产成本，从而提高产品性能，在后续使用中使用寿命长。目前，气相沉积和熔覆等表面涂层技术能有效提高钛合金的耐磨性，并对耐蚀性有很强的作用。表面活化和氢化处理的有机结合，可以有效提高钛合金的表面导电性，也可以避免与软雨接触后材料腐蚀的问题。利用气相沉积技术，将TA2、TC11衬底制成TiAIN薄膜，可使薄膜与衬底结合形成三元冶金结合，有效增强衬底的各种性能。