鈦及鈦合金被廣泛應用於(yu) 航空、航天、船舶、化工和軍(jun) 事工業(ye) 等領域，但其硬度低、摩擦係數高、耐磨性差、高溫高速摩擦易燃等缺點嚴(yan) 重限製了其進一步的廣泛應用。在鈦合金表麵製備具有優(you) 異性能的硬質表麵防護塗層可在保持基體(ti) 鈦合金的高強輕質特性的同時有效改善其薄弱的表麵性能， 滿足一些行業(ye) 的特殊使用要求。

　　目前，在鈦合金表麵改性領域，常用的改性材料可以分為(wei) 金屬、陶瓷等幾大類，所研究的材料不下數十種。常用的鈦合金的表麵改性方法主要包括化學熱處理、離子注入、微弧氧化、電鍍、氣相沉積、熱噴塗、激光表麵合金化和激光熔覆等。（關(guan) 注微信公眾(zhong) 號：熱噴塗與(yu) 再製造）

　　1、氣相沉積　　

鈦合金手表

　　在鈦合金的眾(zhong) 多表麵改性工藝中， 氣相沉積技術因沉積速度快、耗材少等特點而廣受關(guan) 注。常用的氣相沉積技術包括物理氣相沉積(PVD)和化學氣相沉積(CVD)。

　　Ceschini 等人采用PVD 技術在Ti-6Al-4V 鈦合金表麵製備了TiN、(Ti，Al)N 和超晶格CrN/NbN薄層。結果表明，PVD 塗層具有明顯高於(yu) 基體(ti) 材料的硬度，由於(yu) 硬度的升高，TiN 沉積層的摩擦係數顯著降低， 其在幹滑動磨損條件下的耐磨性能也得到了顯著改善。Grgler 等人通過CVD 方法在Ti-6Al-4V 合金表麵沉積了金剛石塗層， 結果表明，在適當工藝條件下製備該CVD 塗層後， 極大改善了合金的耐衝(chong) 蝕磨損性能，而普通PVD 塗層一般無法達到此類性能要求。多數PVD 塗層存在著膜層結合力較低，在較高荷載下易發生剝落的缺點。（關(guan) 注微信公眾(zhong) 號：熱噴塗與(yu) 再製造）CVD塗層也有其缺點，如易導致工件變形、影響加工精度和易產(chan) 生汙染等。

　　2、 熱噴塗　

　　鈦合金在發動機葉片上的應用

　　熱噴塗技術是表麵防護和強化的重要技術之一，熱噴塗工藝效率高、操作簡便靈活，而且由於(yu) 其熱源的溫度範圍很寬， 因而可噴塗的塗層材料範圍較廣。（關(guan) 注微信公眾(zhong) 號：熱噴塗與(yu) 再製造）常用的熱噴塗方法包括超音速火焰噴塗、等離子噴塗、電弧噴塗、爆燃噴塗和氧乙炔火焰噴塗等。

　　Li 等人采用HVOF 噴塗技術在Ti-6Al-4V 表麵製備了羥基磷灰石塗層。研究表明，塗層組織較為(wei) 致密，力學性能較好，塗層硬度可達1.3GPa。Zhou等人采用等離子噴塗工藝在鈦合金表麵製備了熱 障塗層，采用Ni-20Cr-6Al-Y 結合層，所用噴塗喂料為(wei) ZrO2-8wt%Y2O3粉末， 塗層截麵硬度達1000HV以上。

　　熱 噴塗方法已被廣泛用於(yu) 製備具有一定致密度和結合強度的耐磨抗蝕塗層。熱噴塗塗層具有明顯的層狀結構，容易在塗層中產(chan) 生氣孔，且塗層與(yu) 基體(ti) 之間的結合大多是機械結合， 此類結合強度一般難以滿足重載條件下的服役要求。

　　3、 激光表麵合金化和激光熔覆　　

　　鈦合金葉片

　　近年來， 隨著大功率激光器的相繼問世以及激光技術的不斷完善， 激光在各工業(ye) 領域得到了迅猛發展。（關(guan) 注微信公眾(zhong) 號：熱噴塗與(yu) 再製造）常用的激光表麵改性技術包括激光表麵合金化、激光熔覆和激光重熔等。

　　激光表麵合金化利用激光輻照使基體(ti) 熔化，同時添加所需合金元素形成幾百微米至一毫米左右的合金化改性層，從(cong) 而提高材料表麵性能，且合金化表麵層與(yu) 基材可形成冶金結合。Sha 等人采用NiAl和ZrO2混合粉末， 在Ti-6Al-4V 合金表麵製備了合金化層，結果表明，在合金化過程中生成了AlZr3和Ti3Al 等新相。改性處理的塗層組織更為(wei) 細密，其硬度升高到500~650HV。總體(ti) 而言，激光表麵合金化塗層與(yu) 基材界麵處的稀釋度常常偏大，且界麵附近易形成脆性相。

　　激光熔覆技術是采用不同的填料方式在被塗覆基體(ti) 表麵預置塗層材料， 經激光輻照使之與(yu) 基體(ti) 表麵薄層同時熔化，並快速凝固後形成稀釋度低，與(yu) 基材形成冶金結合的表麵塗層。Sun 等人采用TiC和NiCrBSi 混合粉末在Ti-6Al-4V 表麵通過激光熔覆工藝製備了TiC-NiCrBSi 複合塗層，結果表明，熔覆塗層由熔覆區、結合區和熱影響區組成，塗層與(yu) 基體(ti) 之間形成了良好的冶金結合。磨損試驗表明，該熔覆層的耐磨性能優(you) 於(yu) 原始鈦合金基體(ti) 。總體(ti) 而言，激光熔覆技術存在的問題是熔覆過程中過高的溫度易造成預置粉末燒損， 且預置塗層中殘存的水分及熔覆過程中產(chan) 生的氣體(ti) 和夾雜等往往導致熔覆塗層中氣孔率偏大。

　　針對TC4 鈦合金表麵硬度低、耐磨性差的缺點，將等離子噴塗技術與(yu) 激光重熔技術相結合，采用納米結構粉體(ti) 在鈦合金表麵製備了納米結構Al2O3-TiO2塗層，結果表明，重熔塗層可保持納米結構，且塗層內(nei) 部組織均勻致密，與(yu) 基體(ti) 形成了良好的冶金結合，重熔塗層表現出雙模態特征，由熔融的熔凝組織和均勻分布在塗層中起增強作用的未熔顆粒組成，重熔塗層硬度可達1100~1800HV0.3，相當於(yu) 基體(ti) 硬度的3~4 倍。

　　由於(yu) 激光處理具有快冷快熱的特點， 極高的冷卻速度常常使得在塗層表層區域萌生裂紋。此外，鈦合金反應活性大， 而陶瓷粉末與(yu) 鈦合金基體(ti) 的潤濕性又很差，且兩(liang) 者的熱學性能相去甚遠。因此，目前在鈦合金基體(ti) 上直接製備質量優(you) 良的陶瓷熔覆層仍是一大挑戰。

　　4、 化學熱處理　　

　　鈦合金化學熱處理

　　鈦合金化學性質活潑，可在不同溫度與(yu) 多數元素發生發應，采用化學熱處理技術用於(yu) 改善鈦合金的耐磨抗蝕性能、降低摩擦係數、提高其表麵硬度。（關(guan) 注微信公眾(zhong) 號：熱噴塗與(yu) 再製造）常用的化學熱處理技術包括熱氧化、滲碳和滲氮等。

　　Zhang 等人采用擴散氧化方法在Ti-6Al-4V 合金表麵製備了一層非晶金剛石硬質碳膜， 顯著改善了鈦合金表麵的機械性能，並降低其摩擦係數。Tsuji 等人采用等離子滲碳技術對Ti-6Al-4V 合金進行了表麵處理， 結果表明， 鈦合金的耐磨性能得到了明顯改善。

　　Nolan 等人通過等離子滲氮方法在Ti-6Al-4V合金表麵製備了TiN/Ti2N 耐磨塗層， 結果表明，進行滲氮處理後的鈦合金樣品的硬度和耐磨性能得到了顯著提高。利用化學熱處理技術通過在基體(ti) 表麵形成一層較高硬度的表麵層，可提高基材的耐磨性，但高硬表麵層脆性較高，且加熱導致晶粒長大，從(cong) 而影響到基體(ti) 材料本身的抗疲勞等性能。

　　5、 離子注入

　　離子注入技術是把氣體(ti) 或金屬蒸氣通過電離形成正離子， 經高壓電場加速使粒子獲得很高動能從(cong) 而轟擊並進入待處理表麵或基材的表麵處理工藝。（關(guan) 注微信公眾(zhong) 號：熱噴塗與(yu) 再製造）常用的注入元素有氮、碳、氧、硼、磷等非金屬元素和鐵、鋁、鋅、錫等金屬元素。

　　Luo 等人采用離子注入技術在Ti-6Al-4V 合金表麵進行了氮離子注入處理，結果表明，注入氮離子後，在基體(ti) 合金表麵形成了一層硬質TiN 層，從(cong) 而使得其表麵納米硬度值從(cong) 6.4GPa 升高到7.7GPa。微動磨損試驗也表明，離子注入可明顯改善其耐磨性。由於(yu) 離子注入可使金屬材料表麵實現陶瓷化， 近年來受到了廣泛的關(guan) 注。但是，該工藝受離子注入能量的製約，強化層較淺，一般不超過1μm，從(cong) 而限製了該技術的應用。

　　6、 微弧氧化

　　微弧氧化技術是一種較為(wei) 經濟的在鈦合金表麵製備陶瓷塗層的手段， 通過電解液與(yu) 相應電參數的組合， 在合金材料表麵依靠弧光放電產(chan) 生的瞬時高溫高壓作用， 生長出以基體(ti) 金屬氧化物為(wei) 主的陶瓷膜，（關(guan) 注微信公眾(zhong) 號：熱噴塗與(yu) 再製造）該技術可獲得相對較厚的氧化物膜層，且膜層的硬度和耐磨性均優(you) 於(yu) 原始合金基材。

　　Wang 等人采用微弧氧化技術在Ti-6Al-4V合金表麵製備了納米晶TiO2複合塗層。對該微弧氧化層進行納米壓痕試驗後發現， 塗層硬度達5。5GPa，明顯高於(yu) 原始鈦合金基體(ti) 的3。4GPa。微弧氧化塗層厚度也僅(jin) 為(wei) 幾十微米， 難以在承受重載的條件下達到滿意的效果。

　　7、 電鍍

　　電鍍技術被廣泛用於(yu) 鈦合金表麵處理， 從(cong) 而起到防止腐蝕， 提高耐磨性和抗氧化性等作用。（關(guan) 注微信公眾(zhong) 號：熱噴塗與(yu) 再製造）電鍍利用電解原理在金屬或其它材料製件表麵沉積其它金屬或合金， 通過控製鍍液成分及電流等工藝參數可較輕易地控製鍍層的成分和厚度。

　　Ueda 等人通過電鍍技術在TiAl 合金表麵沉積了鋁鉻合金，高溫氧化試驗結果表明，所沉積的鍍層均勻致密， 在高溫下可有效提高TiAl 基體(ti) 材料的抗氧化性。Jin 等人采用改進的微弧電沉積技術在TA2 鈦合金基體(ti) 上沉積了一層Al2O3塗層，高溫氧化試驗表明鍍層與(yu) 基體(ti) 結合良好。在大多數情況下，鍍層與(yu) 鈦合金基體(ti) 之間的結合力偏低，難以製備較厚的鍍層，且電鍍工藝會(hui) 產(chan) 生大量工業(ye) 廢水，汙染環境。

　　展望

　　隨著納米科技和納米材料的發展, 納米技術與(yu) 表麵工程的結合為(wei) 實現表麵工程的跨越式發展提供了新的突破口.迄今為(wei) 止,在鈦合金表麵改性領域多采用傳(chuan) 統的改性材料, 如能采用適當的工藝將納米材料和納米科技應用於(yu) 鈦合金表麵改性領域, 充分利用納米結構材料的小尺寸效應、量子尺寸效應、表麵和界麵效應及優(you) 異的力學、化學和熱學等性能,有望在當前基礎上實現新跨越, 進一步改善鈦合金材料的表麵性能。