利用表面工程技術在關鍵零部件上制備表面保護涂層是實現零部件延壽和高可靠性要求的重要手段， 表面工程能制備出優于本體材料性能的表面功能薄層，賦予零件耐高溫、防腐蝕、耐磨損、抗疲勞等性能。

    鈦及鈦合金被廣泛應用于航空、航天、船舶、化工和軍事工業等領域，但其硬度低、摩擦系數高、耐磨性差、高溫高速摩擦易燃等缺點嚴重限制了其進一步的廣泛應用。在鈦合金表面制備具有優異性能的硬質表面防護涂層可在保持基體鈦合金的高強輕質特性的同時有效改善其薄弱的表面性能， 滿足一些行業的特殊使用要求。

    目前，在鈦合金表面改性領域，常用的改性材料可以分為金屬、陶瓷等幾大類，所研究的材料不下數十種。常用的鈦合金的表面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、熱噴涂、激光表面合金化和激光熔覆等。

    1、氣相沉積

鈦合金手表

    在鈦合金的眾多表面改性工藝中， 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 鈦合金表面制備了TiN、(Ti，Al)N 和超晶格CrN/NbN薄層。結果表明，PVD 涂層具有明顯高于基體材料的硬度，由于硬度的升高，TiN 沉積層的摩擦系數顯著降低， 其在干滑動磨損條件下的耐磨性能也得到了顯著改善。Gr觟gler 等人通過CVD 方法在Ti-6Al-4V 合金表面沉積了金剛石涂層， 結果表明，在適當工藝條件下制備該CVD 涂層后， 極大改善了合金的耐沖蝕磨損性能，而普通PVD 涂層一般無法達到此類性能要求。多數PVD 涂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。CVD涂層也有其缺點，如易導致工件變形、影響加工精度和易產生污染等。

    2、 熱噴涂

鈦合金在發動機葉片上的應用

    熱噴涂技術是表面防護和強化的重要技術之一，熱噴涂工藝效率高、操作簡便靈活，而且由于其熱源的溫度范圍很寬， 因而可噴涂的涂層材料范圍較廣。常用的熱噴涂方法包括超音速火焰噴涂、等離子噴涂、電弧噴涂、爆燃噴涂和氧乙炔火焰噴涂等。

    Li 等人[18]采用HVOF 噴涂技術在Ti-6Al-4V 表面制備了羥基磷灰石涂層。研究表明，涂層組織較為致密，力學性能較好，涂層硬度可達1。3GPa。Zhou等人采用等離子噴涂工藝在鈦合金表面制備了熱  障涂層，采用Ni-20Cr-6Al-Y 結合層，所用噴涂喂料為ZrO2-8wt%Y2O3粉末， 涂層截面硬度達1000HV以上。

    熱 噴涂方法已被廣泛用于制備具有一定致密度和結合強度的耐磨抗蝕涂層。熱噴涂涂層具有明顯的層狀結構，容易在涂層中產生氣孔，且涂層與基體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、 激光表面合金化和激光熔覆

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， 激光在各工業領域得到了迅猛發展。常用的激光表面改性技術包括激光表面合金化、激光熔覆和激光重熔等。

    激光表面合金化利用激光輻照使基體熔化，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，從而提高材料表面性能，且合金化表面層與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 合金表面制備了合金化層，結果表明，在合金化過程中生成了AlZr3和Ti3Al 等新相。改性處理的涂層組織更為細密，其硬度升高到500~650HV?？傮w而言，激光表面合金化涂層與基材界面處的稀釋度常常偏大，且界面附近易形成脆性相。

    激光熔覆技術是采用不同的填料方式在被涂覆基體表面預置涂層材料， 經激光輻照使之與基體表面薄層同時熔化，并快速凝固后形成稀釋度低，與基材形成冶金結合的表面涂層。Sun 等人采用TiC和NiCrBSi 混合粉末在Ti-6Al-4V 表面通過激光熔覆工藝制備了TiC-NiCrBSi 復合涂層，結果表明，熔覆涂層由熔覆區、結合區和熱影響區組成，涂層與基體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于原始鈦合金基體?？傮w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， 且預置涂層中殘存的水分及熔覆過程中產生的氣體和夾雜等往往導致熔覆涂層中氣孔率偏大。

    針對TC4 鈦合金表面硬度低、耐磨性差的缺點，將等離子噴涂技術與激光重熔技術相結合，采用納米結構粉體在鈦合金表面制備了納米結構Al2O3-TiO2涂層，結果表明，重熔涂層可保持納米結構，且涂層內部組織均勻致密，與基體形成了良好的冶金結合，重熔涂層表現出雙模態特征，由熔融的熔凝組織和均勻分布在涂層中起增強作用的未熔顆粒組成，重熔涂層硬度可達1100~1800HV0。3，相當于基體硬度的3~4 倍。

    由于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涂層表層區域萌生裂紋。此外，鈦合金反應活性大， 而陶瓷粉末與鈦合金基體的潤濕性又很差，且兩者的熱學性能相去甚遠。因此，目前在鈦合金基體上直接制備質量優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，可在不同溫度與多數元素發生發應，采用化學熱處理技術用于改善鈦合金的耐磨抗蝕性能、降低摩擦系數、提高其表面硬度。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 合金表面制備了一層非晶金剛石硬質碳膜， 顯著改善了鈦合金表面的機械性能，并降低其摩擦系數。Tsuji 等人采用等離子滲碳技術對Ti-6Al-4V 合金進行了表面處理， 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合金表面制備了TiN/Ti2N 耐磨涂層， 結果表明，進行滲氮處理后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表面形成一層較高硬度的表面層，可提高基材的耐磨性，但高硬表面層脆性較高，且加熱導致晶粒長大，從而影響到基體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而轟擊并進入待處理表面或基材的表面處理工藝。

    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 合金表面進行了氮離子注入處理，結果表明，注入氮離子后，在基體合金表面形成了一層硬質TiN 層，從而使得其表面納米硬度值從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。由于離子注入可使金屬材料表面實現陶瓷化， 近年來受到了廣泛的關注。但是，該工藝受離子注入能量的制約，強化層較淺，一般不超過1μm，從而限制了該技術的應用。

    6、 微弧氧化

    微弧氧化技術是一種較為經濟的在鈦合金表面制備陶瓷涂層的手段， 通過電解液與相應電參數的組合， 在合金材料表面依靠弧光放電產生的瞬時高溫高壓作用， 生長出以基體金屬氧化物為主的陶瓷膜，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于原始合金基材。

    Wang 等人采用微弧氧化技術在Ti-6Al-4V合金表面制備了納米晶TiO2復合涂層。對該微弧氧化層進行納米壓痕試驗后發現， 涂層硬度達5。5GPa，明顯高于原始鈦合金基體的3。4GPa。微弧氧化涂層厚度也僅為幾十微米， 難以在承受重載的條件下達到滿意的效果。

    7、 電鍍

    電鍍技術被廣泛用于鈦合金表面處理， 從而起到防止腐蝕， 提高耐磨性和抗氧化性等作用。電鍍利用電解原理在金屬或其它材料制件表面沉積其它金屬或合金， 通過控制鍍液成分及電流等工藝參數可較輕易地控制鍍層的成分和厚度。

    Ueda 等人通過電鍍技術在TiAl 合金表面沉積了鋁鉻合金，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 鈦合金基體上沉積了一層Al2O3涂層，高溫氧化試驗表明鍍層與基體結合良好。在大多數情況下，鍍層與鈦合金基體之間的結合力偏低，難以制備較厚的鍍層，且電鍍工藝會產生大量工業廢水，污染環境。

    3 展望

    隨著納米科技和納米材料的發展, 納米技術與表面工程的結合為實現表面工程的跨越式發展提供了新的突破口.迄今為止,在鈦合金表面改性領域多采用傳統的改性材料, 如能采用適當的工藝將納米材料和納米科技應用于鈦合金表面改性領域, 充分利用納米結構材料的小尺寸效應、量子尺寸效應、表面和界面效應及優異的力學、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面性能。 

責任編輯：周婭

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