鈦及鈦合金被廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶、化工和軍事工業(yè)等領(lǐng)域，但其硬度低、摩擦系數(shù)高、耐磨性差、高溫高速摩擦易燃等缺點(diǎn)嚴(yán)重限制了其進(jìn)一步的廣泛應(yīng)用。在鈦合金表面制備具有優(yōu)異性能的硬質(zhì)表面防護(hù)涂層可在保持基體鈦合金的高強(qiáng)輕質(zhì)特性的同時(shí)有效改善其薄弱的表面性能， 滿足一些行業(yè)的特殊使用要求。

　　目前，在鈦合金表面改性領(lǐng)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(shù)十種。常用的鈦合金的表面改性方法主要包括化學(xué)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。（關(guān)注微信公眾號：熱噴涂與再制造）

　　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(shù)因沉積速度快、耗材少等特點(diǎn)而廣受關(guān)注。常用的氣相沉積技術(shù)包括物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積(CVD)。

　　Ceschini 等人采用PVD 技術(shù)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(jié)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(shù)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。Grgler 等人通過CVD 方法在Ti-6Al-4V 合金表面沉積了金剛石涂層， 結(jié)果表明，在適當(dāng)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(dá)到此類性能要求。多數(shù)PVD 涂層存在著膜層結(jié)合力較低，在較高荷載下易發(fā)生剝落的缺點(diǎn)。（關(guān)注微信公眾號：熱噴涂與再制造）CVD涂層也有其缺點(diǎn)，如易導(dǎo)致工件變形、影響加工精度和易產(chǎn)生污染等。

　　2、 熱噴涂　

　　鈦合金在發(fā)動機(jī)葉片上的應(yīng)用

　　熱噴涂技術(shù)是表面防護(hù)和強(qiáng)化的重要技術(shù)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。（關(guān)注微信公眾號：熱噴涂與再制造）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 等人采用HVOF 噴涂技術(shù)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(xué)性能較好，涂層硬度可達(dá)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(jié)合層，所用噴涂喂料為ZrO2-8wt%Y2O3粉末， 涂層截面硬度達(dá)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(jié)合強(qiáng)度的耐磨抗蝕涂層。熱噴涂涂層具有明顯的層狀結(jié)構(gòu)，容易在涂層中產(chǎn)生氣孔，且涂層與基體之間的結(jié)合大多是機(jī)械結(jié)合， 此類結(jié)合強(qiáng)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(shù)的不斷完善， 激光在各工業(yè)領(lǐng)域得到了迅猛發(fā)展。（關(guān)注微信公眾號：熱噴涂與再制造）常用的激光表面改性技術(shù)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(shí)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(jié)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(jié)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(xì)密，其硬度升高到500~650HV。總體而言，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(shù)是采用不同的填料方式在被涂覆基體表面預(yù)置涂層材料， 經(jīng)激光輻照使之與基體表面薄層同時(shí)熔化，并快速凝固后形成稀釋度低，與基材形成冶金結(jié)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(fù)合涂層，結(jié)果表明，熔覆涂層由熔覆區(qū)、結(jié)合區(qū)和熱影響區(qū)組成，涂層與基體之間形成了良好的冶金結(jié)合。磨損試驗(yàn)表明，該熔覆層的耐磨性能優(yōu)于原始鈦合金基體?？傮w而言，激光熔覆技術(shù)存在的問題是熔覆過程中過高的溫度易造成預(yù)置粉末燒損， 且預(yù)置涂層中殘存的水分及熔覆過程中產(chǎn)生的氣體和夾雜等往往導(dǎo)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(diǎn)，將等離子噴涂技術(shù)與激光重熔技術(shù)相結(jié)合，采用納米結(jié)構(gòu)粉體在鈦合金表面制備了納米結(jié)構(gòu)Al2O3-TiO2涂層，結(jié)果表明，重熔涂層可保持納米結(jié)構(gòu)，且涂層內(nèi)部組織均勻致密，與基體形成了良好的冶金結(jié)合，重熔涂層表現(xiàn)出雙模態(tài)特征，由熔融的熔凝組織和均勻分布在涂層中起增強(qiáng)作用的未熔顆粒組成，重熔涂層硬度可達(dá)1100~1800HV0.3，相當(dāng)于基體硬度的3~4 倍。

　　由于激光處理具有快冷快熱的特點(diǎn)， 極高的冷卻速度常常使得在涂層表層區(qū)域萌生裂紋。此外，鈦合金反應(yīng)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(xué)性能相去甚遠(yuǎn)。因此，目前在鈦合金基體上直接制備質(zhì)量優(yōu)良的陶瓷熔覆層仍是一大挑戰(zhàn)。

　　4、 化學(xué)熱處理　　

　　鈦合金化學(xué)熱處理

　　鈦合金化學(xué)性質(zhì)活潑，可在不同溫度與多數(shù)元素發(fā)生發(fā)應(yīng)，采用化學(xué)熱處理技術(shù)用于改善鈦合金的耐磨抗蝕性能、降低摩擦系數(shù)、提高其表面硬度。（關(guān)注微信公眾號：熱噴涂與再制造）常用的化學(xué)熱處理技術(shù)包括熱氧化、滲碳和滲氮等。

　　Zhang 等人采用擴(kuò)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(zhì)碳膜， 顯著改善了鈦合金表面的機(jī)械性能，并降低其摩擦系數(shù)。Tsuji 等人采用等離子滲碳技術(shù)對Ti-6Al-4V 合金進(jìn)行了表面處理， 結(jié)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(jié)果表明，進(jìn)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(xué)熱處理技術(shù)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(dǎo)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(shù)是把氣體或金屬蒸氣通過電離形成正離子， 經(jīng)高壓電場加速使粒子獲得很高動能從而轟擊并進(jìn)入待處理表面或基材的表面處理工藝。（關(guān)注微信公眾號：熱噴涂與再制造）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(shù)在Ti-6Al-4V 合金表面進(jìn)行了氮離子注入處理，結(jié)果表明，注入氮離子后，在基體合金表面形成了一層硬質(zhì)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(yàn)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(shí)現(xiàn)陶瓷化， 近年來受到了廣泛的關(guān)注。但是，該工藝受離子注入能量的制約，強(qiáng)化層較淺，一般不超過1μm，從而限制了該技術(shù)的應(yīng)用。

　　6、 微弧氧化

　　微弧氧化技術(shù)是一種較為經(jīng)濟(jì)的在鈦合金表面制備陶瓷涂層的手段， 通過電解液與相應(yīng)電參數(shù)的組合， 在合金材料表面依靠弧光放電產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫高壓作用， 生長出以基體金屬氧化物為主的陶瓷膜，（關(guān)注微信公眾號：熱噴涂與再制造）該技術(shù)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(yōu)于原始合金基材。

　　Wang 等人采用微弧氧化技術(shù)在Ti-6Al-4V合金表面制備了納米晶TiO2復(fù)合涂層。對該微弧氧化層進(jìn)行納米壓痕試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)， 涂層硬度達(dá)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(dá)到滿意的效果。

　　7、 電鍍

　　電鍍技術(shù)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。（關(guān)注微信公眾號：熱噴涂與再制造）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(shù)可較輕易地控制鍍層的成分和厚度。

　　Ueda 等人通過電鍍技術(shù)在TiAl 合金表面沉積了鋁鉻合金，高溫氧化試驗(yàn)結(jié)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(jìn)的微弧電沉積技術(shù)在TA2 鈦合金基體上沉積了一層Al2O3涂層，高溫氧化試驗(yàn)表明鍍層與基體結(jié)合良好。在大多數(shù)情況下，鍍層與鈦合金基體之間的結(jié)合力偏低，難以制備較厚的鍍層，且電鍍工藝會產(chǎn)生大量工業(yè)廢水，污染環(huán)境。

　　展望

　　隨著納米科技和納米材料的發(fā)展, 納米技術(shù)與表面工程的結(jié)合為實(shí)現(xiàn)表面工程的跨越式發(fā)展提供了新的突破口.迄今為止,在鈦合金表面改性領(lǐng)域多采用傳統(tǒng)的改性材料, 如能采用適當(dāng)?shù)墓に噷⒓{米材料和納米科技應(yīng)用于鈦合金表面改性領(lǐng)域, 充分利用納米結(jié)構(gòu)材料的小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、表面和界面效應(yīng)及優(yōu)異的力學(xué)、化學(xué)和熱學(xué)等性能,有望在當(dāng)前基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)新跨越, 進(jìn)一步改善鈦合金材料的表面性能。