鈦是重要的戰(zhàn)略金屬材料，通過(guò)將鈦與不同元素合金化，可形成 α 型?α+β 型和 β 型鈦合金 [1-2]?相比其他金屬，鈦及鈦合金具有高比強(qiáng)度?優(yōu)異耐腐蝕性和生物相容性等綜合性能，在航空航天?海洋工程?生物醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用 [3-4]?然而，鈦及鈦合金在一些極端或特定環(huán)境下存在表面性能不足的缺點(diǎn)，在服役過(guò)程中易導(dǎo)致材料損傷?例如，Ti-6Al-4V 合金具有極佳的耐腐蝕性，適合應(yīng)用于海洋工程和深海探測(cè)等領(lǐng)域 [5], 但因其表面硬度低?摩擦系數(shù)大?耐磨性差等原因，在推廣應(yīng)用中受到一定限制?表面處理與改性是改善鈦及鈦合金表面性能，拓展其應(yīng)用領(lǐng)域的有效途徑?鈦材作為骨科和牙科植入物的關(guān)鍵材料，對(duì)其進(jìn)行表面處理，可以提高耐腐蝕性?耐磨性和生物相容性?另一方面，通過(guò)表面處理能夠提升植入鈦合金的骨整合能力，對(duì)術(shù)后恢復(fù)具有積極作用 [6]?在航空航天領(lǐng)域，鈦合金被廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片?緊固件?機(jī)身結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵部件?但是，鈦合金在高溫環(huán)境下易發(fā)生氧化反應(yīng)，形成脆性氧化層，導(dǎo)致材料力學(xué)性能下降甚至失效?通過(guò)表面處理制備耐高溫涂層已成為解決鈦合金高溫氧化問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)手段?

鈦及鈦合金表面處理技術(shù)與其他金屬表面處理技術(shù)在原理上相似，許多研究中都有相互借鑒和應(yīng)用，均以提高材料性能?延長(zhǎng)使用壽命為目的?然而，由于鈦及鈦合金的特殊性，在應(yīng)用某些表面處理技術(shù)時(shí)需要進(jìn)行特定的設(shè)計(jì)和調(diào)整，以適應(yīng)其特性?根據(jù)鈦及鈦合金的特性，將其表面處理技術(shù)分為三種類型:① 表面涂覆技術(shù) 在鈦及鈦合金表面通過(guò)物理或化學(xué)方法添加一層與基體材料完全不同的膜層，以提高其性能；② 表面改性技術(shù) 在不改變?cè)牧匣蛑破沸阅艿那疤嵯拢ㄟ^(guò)物理?化學(xué)的方法改變材料表面的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)，以改善材料的表面性能；③ 復(fù)合表面處理技術(shù) 結(jié)合兩種或多種表面處理工藝，達(dá)到進(jìn)一步強(qiáng)化表面性能的目的?本文系統(tǒng)介紹了鈦及鈦合金表面處理技術(shù)的最新研究進(jìn)展，內(nèi)容涵蓋表面涂覆技術(shù)?表面改性技術(shù)和復(fù)合表面處理技術(shù)?通過(guò)深入分析各種表面處理技術(shù)的原理?應(yīng)用和效果，旨在為科研工作者提供關(guān)于鈦及鈦合金性能優(yōu)化的理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐?

1、表面涂覆技術(shù)

表面涂覆技術(shù)通過(guò)物理或化學(xué)手段，在基體材料表面涂覆一層與其性質(zhì)迥異的涂層，目的是增強(qiáng)材料的表面性能?常見(jiàn)的傳統(tǒng)涂覆方法包括物理或化學(xué)氣相沉積以及熱噴涂技術(shù)，近些年涌現(xiàn)的先進(jìn)技術(shù)則有爆炸噴涂?等離子噴涂以及非平衡磁控濺射等?

氣相沉積技術(shù)包括物理氣相沉積 (physical vapor deposition, PVD) 和化學(xué)氣相沉積 (chemical vapor deposition, CVD), 該技術(shù)通過(guò)不同的物理或化學(xué)方法向工件表面沉積一層微米或納米尺寸級(jí)別的固態(tài)薄膜，以改變材料表面性能 [7]?PVD 是在真空條件下通過(guò)電子束將材料源氣化，變?yōu)闅鈶B(tài)原子或分子狀態(tài)，然后沉積在基體表面形成薄膜的技術(shù) [8], 主要方法有真空蒸發(fā)鍍膜?磁控濺射鍍膜?電弧等離子鍍膜?離子鍍膜和分子束外延鍍膜 [9-10]?Khun 等 [11] 分別使用氮?dú)夂秃庾鳛槔鋰娡抗ぷ鳉怏w，在 Ti-6Al-4V 合金基體上沉積 Ti64 涂層?研究發(fā)現(xiàn)，使用氮?dú)獬练e的 Ti64 涂層表面可以清晰地看到微孔，而使用氦氣沉積的 Ti64 涂層表面則未發(fā)現(xiàn)微孔，如圖 1 所示?此外，與使用氮?dú)獬练e的涂層相比，使用氦氣沉積的 Ti64 涂層 (圖 1b) 表面具有更多被壓平的 Ti64 顆粒?摩擦磨損試驗(yàn)和腐蝕試驗(yàn)結(jié)果表明，使用氦氣沉積的 Ti64 涂層硬度更高，耐磨性更好；在濃度 0.6 M 的 NaCl 溶液中，使用氦氣沉積的 Ti64 涂層因其孔隙率較低，陽(yáng)極溶解程度低于使用氮?dú)獬练e的涂層?

Hatem 等 [12] 利用等離子體增強(qiáng)磁控濺射 (plasma enhanced magnetron sputtering, PEMS ) 技術(shù)在 Ti-6Al-4VELI 合金表面制備了低摩擦 Ti-Si-C-N 納米復(fù)合涂層?該涂層樣品與無(wú)涂層樣品相比，磨損率至少降低了 97%?此外研究還發(fā)現(xiàn)，涂層樣品的磨蝕性能與涂層的化學(xué)組成和納米結(jié)構(gòu)密切相關(guān)?

CVD 則是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)在基體表面沉積一層材料，適用于制備高性能涂層，是一種生產(chǎn)高質(zhì)量薄膜和涂層的可靠技術(shù)?根據(jù)反應(yīng)器中用于薄膜沉積的能量源，CVD 技術(shù)主要分為熱壁 CVD?冷壁 CVD 以及等離子體增強(qiáng) CVD (plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD) 三種類型 [13]?熱壁 CVD 是化學(xué)反應(yīng)和沉積直接作用于反應(yīng)器內(nèi)被加熱元件包圍的基材表面，以提供反應(yīng)所需的溫度?而冷壁 CVD 僅基材被加熱，通常通過(guò)電流或感應(yīng)加熱，反應(yīng)室的內(nèi)壁則保持在室溫狀態(tài)?PECVD 技術(shù)則是將前體氣體，如烴類和氫氣，引入包含基材的真空室中，通過(guò)微波或射頻在氣體混合物中產(chǎn)生等離子體，使得前體分子分解成活性物質(zhì)，這些活性物質(zhì)隨后在基材上發(fā)生反應(yīng)并沉積，形成薄膜 [14]?Radtke 等 [15] 采用 CVD 法并利用一種化學(xué)式為 [Ag?(O?CC?F?)?(H?O)?] 的新型化合物前驅(qū)體，在 Ti-6Al-4V 合金表面和經(jīng)過(guò)鈦酸鈉納米管層修飾的鈦合金 (Ti-6Al-4V/TNT) 基底上制備了分散的銀納米顆粒 (AgNPs)?研究結(jié)果表明，通過(guò) CVD 法可有效將銀納米顆粒引入 Ti-6Al-4V/TNT 系統(tǒng)中；Ti-6Al-4V/TNT/AgNPs 復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能，在構(gòu)建具有長(zhǎng)期抗菌活性的植入物領(lǐng)域展現(xiàn)出極大的應(yīng)用潛力?

熱噴涂技術(shù)通過(guò)熱源將材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，利用氣壓形成高速粒子流噴射在基體表面，不斷沉積形成具有高附著力的耐磨涂層?常見(jiàn)的熱噴涂工藝有火焰噴涂?電弧噴涂?等離子噴涂?爆炸噴涂等 [16]?火焰噴涂和電弧噴涂工藝靈活性高，在噴涂過(guò)程中對(duì)基體的影響較小，基體表面溫度也相對(duì)較低，不會(huì)引起基體材料組織變化或性能改變，綜合成本效益較高?但是，在結(jié)合強(qiáng)度?致密性?耐磨性?硬度?熱損傷控制?工藝參數(shù)控制以及涂層均勻性方面相比于爆炸噴涂和等離子噴涂技術(shù)存在一定的缺點(diǎn)，限制了它們?cè)谀承└咝阅軋?chǎng)景 (如高結(jié)合強(qiáng)度?高耐磨性) 的應(yīng)用 [17-19]?

爆炸噴涂技術(shù)作為一種高能表面處理技術(shù)，其通過(guò)瞬態(tài)爆轟反應(yīng)釋放的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為高溫?高壓氣體射流，驅(qū)動(dòng)噴涂粉末以超音速撞擊基材表面，經(jīng)劇烈塑性變形形成致密層狀堆疊結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)冶金級(jí)結(jié)合界面?目前，該技術(shù)在鈦合金中的應(yīng)用普及度較低，主要由于存在以下三方面技術(shù)瓶頸?首先，材料相容性受限?鈦合金的高溫敏感性特征導(dǎo)致爆轟過(guò)程中易形成 TiO?氧化膜，其脆性本質(zhì)會(huì)顯著削弱涂層 / 基材界面的結(jié)合強(qiáng)度?現(xiàn)有適用于鈦合金的涂層體系主要集中于 NiCr-Cr?C??WC-Co 等少數(shù)陶瓷金屬?gòu)?fù)合體系，材料選擇局限性進(jìn)一步制約了該技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景?其次，受工藝經(jīng)濟(jì)性制約?相較于冷噴涂 (設(shè)備投資一般小于 50 萬(wàn)元)?激光熔覆 (能耗一般小于 3 kW?h/m2) 等主流技術(shù)，爆炸噴涂系統(tǒng)需配置專用爆轟室及粉末輸送裝置，單次噴涂成本約高出 40%~60%?對(duì)于加工余量有限的鈦合金精密零件 (如航空緊固件), 需多次噴涂 (通常 3~5 次) 才能達(dá)到 150~200 μm 的有效涂層厚度，經(jīng)濟(jì)性劣勢(shì)尤為突出?第三，技術(shù)生態(tài)存在壁壘?國(guó)內(nèi)爆炸噴涂設(shè)備長(zhǎng)期依賴進(jìn)口 (主要供應(yīng)國(guó)為德國(guó)?美國(guó)), 關(guān)鍵參數(shù)如爆轟波形調(diào)控?粉末粒徑匹配等技術(shù)受國(guó)際專利封鎖?但是，該技術(shù)在鈦合金微型零件的表面修復(fù)方面展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，爆轟沖擊波誘導(dǎo)的基材表面納米晶化可顯著提升耐磨性，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片榫頭等關(guān)鍵部件的延壽提供了新方案?因此，國(guó)內(nèi)對(duì)該表面處理技術(shù)同步開(kāi)展了深入研究，目前也取得了一定的進(jìn)展?如北京航空材料研究院郭孟秋團(tuán)隊(duì) [20] 通過(guò)優(yōu)化 NiCr-Cr?C?涂層的爆炸噴涂工藝，對(duì)鈦合金零件磨損超差問(wèn)題進(jìn)行了表面噴涂修復(fù)?爆炸噴涂獲得的 NiCr-Cr?C?涂層均勻?致密，結(jié)合強(qiáng)度大于 70 MPa, 顯微硬度大于 650 HV?上述表面處理工藝對(duì)鈦合金基材無(wú)影響，修復(fù)后的鈦合金零件尺寸公差?密封性均滿足要求，明顯改善了小型零部件的耐磨防護(hù)性能?當(dāng)前研究熱點(diǎn)正轉(zhuǎn)向通過(guò)脈沖爆轟模式調(diào)控?zé)嵊绊憛^(qū)，同步開(kāi)發(fā) TiAl/Al?O?梯度涂層體系，以期突破鈦合金高溫防護(hù)的技術(shù)瓶頸?

等離子噴涂技術(shù)是利用氣體電離后生成的熾熱等離子體作為加熱媒介，能夠熔化眾多金屬及陶瓷材質(zhì)?在先進(jìn)的大氣等離子噴涂系統(tǒng)里 (atmospheric plasma spraying, APS), 物料被加熱至熔融或半熔融狀態(tài)，進(jìn)而沉積在基材表面并構(gòu)成多孔層狀構(gòu)造的涂層?該涂層能有效屏蔽熱量傳遞，展現(xiàn)出較低的熱傳導(dǎo)性能 [21]?Luo 等 [22] 采用等離子噴涂技術(shù)在鈦合金表面制備出氧化鋯涂層，增強(qiáng)了人牙齦成纖維細(xì)胞 (human gingival fibroblasts, HGFs) 的生物活性?Kurdi 等 [23] 采用等離子噴涂技術(shù)在 β 型鈦合金 (Ti-35Nb-7Ta-5Zr) 基體上沉積了經(jīng)氧化鈦 (TiO?) 強(qiáng)化的羥基磷灰石 (HA) 涂層，鈦合金基體材料和增強(qiáng)涂層的優(yōu)勢(shì)均得以充分發(fā)揮，包括 β 型鈦合金相對(duì)較低的彈性模量，以及羥基磷灰石的多孔結(jié)構(gòu)與類骨成分，優(yōu)化了植入材料的生物相容性和穩(wěn)定性?周志強(qiáng)等 [24] 采用 APS 技術(shù)在 TC4 鈦合金基材上制備成分為 Al?O?-40% TiO?的 AT40 陶瓷涂層，探討了高溫環(huán)境下 AT40 陶瓷涂層的摩擦磨損性能及機(jī)理?研究表明，AT40 陶瓷涂層呈現(xiàn)出典型的熱噴涂層狀結(jié)構(gòu)，具有均勻的相分布和致密的結(jié)構(gòu)，其平均顯微硬度較 TC4 鈦合金基材提高了 81%?AT40 陶瓷涂層在 200?350?500 ℃下的高溫硬度分別為 513?463、448 HV?.?。

非平衡磁控濺射是一種磁控濺射技術(shù)，其特點(diǎn)是在磁控濺射系統(tǒng)中引入非均勻磁場(chǎng)，改善濺射過(guò)程中電子云的空間分布，從而提升薄膜的質(zhì)量和性能 [25-27]?Fu 等 [28] 采用非平衡磁控濺射系統(tǒng)在硅和 Ti-6Al-4V 合金基體上制備了不同鉬含量的 CrMoSiN 涂層，并測(cè)試了涂層試樣在海水中與 SiC 球滑動(dòng)的摩擦腐蝕行為?研究表明，在 CrSiN 涂層中加入 Mo 元素后，形成了致密的柱狀結(jié)構(gòu) (Cr,Mo) N 置換固溶體，涂層表面形貌由細(xì)小的圓頂形狀轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袦喜圻吔缜蚁鄬?duì)平整的形狀?CrMoSiN 涂層在陽(yáng)極極化和摩擦磨損協(xié)同作用下可形成 MoO?層，其磨痕變得光滑，沒(méi)有涂層剝落痕跡?此外，CrMoSiN 涂層微觀結(jié)構(gòu)致密，可降低發(fā)生空蝕的風(fēng)險(xiǎn)?眾所周知，半導(dǎo)體 MoO?層兼具優(yōu)異的電化學(xué)響應(yīng)特性與良好的潤(rùn)滑性能，可以在摩擦腐蝕測(cè)試中保護(hù) CrMoSiN 涂層免受侵蝕?此外，即使 MoO?和 Cr?O?層被破壞，CrMoSiN 涂層的致密微觀結(jié)構(gòu)仍然能夠有效阻止海水侵蝕，可以有效提高合金的摩擦腐蝕性能?

2、表面改性技術(shù)

表面改性技術(shù)是在保持基體材料性能的前提下，通過(guò)物理或化學(xué)方法，對(duì)材料表層進(jìn)行成分設(shè)計(jì)?組織結(jié)構(gòu)調(diào)控或界面結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而定向改善其表面性能 (耐磨性?耐蝕性?生物相容性等) 的表面處理技術(shù)?該技術(shù)通過(guò)表面原子層尺度改性，實(shí)現(xiàn)表面宏觀性能提升，具有不影響基體固有屬性的顯著優(yōu)勢(shì)?常見(jiàn)的物理表面改性技術(shù)有噴丸強(qiáng)化?離子注入?激光處理等，化學(xué)表面改性技術(shù)有化學(xué)鍍?電鍍和化學(xué)氣相沉積等?

噴丸強(qiáng)化 (shot peening, SP) 是一種常用的表面強(qiáng)化技術(shù)，可有效提高部件的使用壽命，同時(shí)保持其原始的內(nèi)部化學(xué)結(jié)構(gòu)?其工作原理包括利用壓縮空氣?加壓水?超聲波能量或離心力以高速推動(dòng)球形顆粒撞擊材料表面?彈丸的沖擊會(huì)在部件表面產(chǎn)生塑性變形和殘余壓應(yīng)力層 [29], 壓應(yīng)力層的引入可有效防止裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，提高材料的抗疲勞性?此外，噴丸強(qiáng)化還可以有效細(xì)化晶粒，從而提高疲勞強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂能力 [30]?圖 2 為 SP 工藝及噴丸產(chǎn)生的塑性變形示意圖 [31]?西南交通大學(xué) Ji 等 [32] 對(duì)比分析了微噴丸 (modern shot peening, MSP) 和傳統(tǒng)噴丸 (traditional shot peening, TSP) 對(duì) Ti-6Al-4V 合金疲勞性能的影響?研究發(fā)現(xiàn)，MSP 試樣表面粗糙度較低，并形成了一層細(xì)化程度更高?晶粒分布更均勻的晶粒細(xì)化層?疲勞性能測(cè)試顯示，與未噴丸 (UP) 試樣相比，MSP 和 TSP 試樣在經(jīng)歷 2×10?次加載循環(huán)后的疲勞強(qiáng)度分別提高了 42% 和 17%?相比 TSP 試樣，MSP 試樣表現(xiàn)出更高的臨界應(yīng)力，因此其疲勞壽命更長(zhǎng)?

激光表面強(qiáng)化技術(shù)是一種先進(jìn)的表面處理技術(shù)，利用高能激光束對(duì)材料表面進(jìn)行加熱?熔化和冷卻等處理，從而改善材料表面的力學(xué)性能和物理性能?該技術(shù)在鈦合金材料中應(yīng)用廣泛，效果顯著?孟憲凱等 [33] 以 Ti-6Al-4V 合金為研究對(duì)象，開(kāi)展了雙脈沖激光沖擊強(qiáng)化 (dual-pulse laser shock peening, DPLSP) 實(shí)驗(yàn)?研究發(fā)現(xiàn)，雙脈沖激光沖擊強(qiáng)化通過(guò)誘導(dǎo)生成細(xì)晶–粗晶–細(xì)晶的復(fù)合結(jié)構(gòu)，可在維持較好延伸率的同時(shí)提升材料的抗拉強(qiáng)度?雙脈沖激光沖擊強(qiáng)化試樣的影響層深度達(dá)到 550 μm, 表面顯微硬度相比未處理試樣和單脈沖激光沖擊強(qiáng)化試樣分別增加了 16.7% 和 10.1%, 抗拉強(qiáng)度分別提升了 7.09% 和 4.81%, 斷后延伸率維持在 13.48%?Fogagnolo 等 [34] 通過(guò)激光表面強(qiáng)化技術(shù)對(duì)商業(yè)純鈦進(jìn)行表面改性，實(shí)驗(yàn)中選擇使用鈮或銅作為合金化元素，在不同熱輸入條件下形成了多種改性表面結(jié)構(gòu)?通過(guò)對(duì)激光軌跡的熔合區(qū)進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)所有激光熔合區(qū)的硬度均顯著提升，但楊氏模量的變化取決于添加的合金元素及工藝參數(shù)?研究還發(fā)現(xiàn)，在 200 W 激光功率下獲得的鈮合金化激光熔合區(qū)的楊氏模量比基材低 30%, 而在其他條件下均產(chǎn)生了更硬的表面區(qū)域?因此，通過(guò)這種方法可以獲得更高硬度但剛性較低的涂層?

化學(xué)熱處理是通過(guò)化學(xué)介質(zhì)在高溫環(huán)境下處理材料，以改變其表面層化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)的技術(shù)?對(duì)于鈦合金，常見(jiàn)的化學(xué)熱處理包括滲碳?滲氮?碳氮共滲等?利用這些處理技術(shù)可以提高鈦合金的表面硬度?耐磨性和耐蝕性，同時(shí)改善其抗疲勞性能?碳是對(duì)鈦合金表面硬度影響最大的元素之一，將碳注入合金表面層可以有效提高表面硬度和耐磨性能?通常認(rèn)為，對(duì)材料表面起強(qiáng)化作用的主要是滲碳層中的硬質(zhì) TiC 顆粒?以 Ti-6Al-4V 合金的滲碳處理為例，經(jīng)碳化處理后，材料表面會(huì)形成由碳化物顆粒組成的硬化層?與未處理材料相比，滲碳處理后的材料硬度提高了約 128%, 疲勞強(qiáng)度和耐磨性也有所提高 [35]?Wu 等 [36] 研究了不同溫度下滲碳處理的 TA2 純鈦在含氟混合酸中的腐蝕行為?對(duì)比發(fā)現(xiàn)，滲碳層的厚度隨著滲碳溫度的升高而增加；經(jīng) 910 ℃滲碳處理的 TA2 純鈦可形成較厚的 TiC 層，并表現(xiàn)出較好的耐蝕性能；真空感應(yīng)滲碳隨著滲碳溫度的升高，TA2 純鈦表面滲碳層厚度增加，并具有更高的阻抗膜值和較小的腐蝕電流，因而在低濃度含氟離子 (F?) 酸溶液中具有顯著的腐蝕防護(hù)效果?Dong 等 [37] 研究了滲碳處理對(duì)鈦合金類金剛石 (diamond-like carbon, DLC) 涂層結(jié)合強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)滲碳處理可以有效減小 DLC 涂層的晶粒尺寸，從而提高涂層的致密度?滲碳層還抑制了大部分 DLC 涂層中的晶界遷移，防止了晶粒粗化并賦予材料更高的熱穩(wěn)定性?

氮對(duì)鈦合金的表面硬度也有顯著影響，氮化處理可大幅提高鈦合金的表面硬度和耐摩擦腐蝕性?常見(jiàn)的滲氮處理包括固體滲氮?氣體滲氮和等離子滲氮，這些處理通常需要幾個(gè)小時(shí)才能實(shí)現(xiàn)所需的表面改性?Zhao 等 [38] 指出，純鈦經(jīng)等離子氮化處理后可生成類似于 DLC 涂層并且厚而致密?均勻的 TiN 涂層，如圖 3 所示?該涂層具有優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性?摩擦學(xué)性能和抗摩擦腐蝕性能，作為生物材料植入人體表現(xiàn)出良好的綜合性能?Seo 等 [39] 采用了一種創(chuàng)新的碳氮共滲工藝，即通過(guò)在氮?dú)猸h(huán)境中用激光照射純石墨粉進(jìn)而在 Ti-6Al-4V 合金表面實(shí)現(xiàn)碳氮共滲層的制備?合金表面碳氮共滲層的形成主要依賴于碳氮原子的擴(kuò)散行為及碳氮共滲反應(yīng)動(dòng)力學(xué)?通過(guò)該工藝可在 Ti-6Al-4V 合金表面硬化層中形成 Ti (C,N) 化合物，實(shí)現(xiàn)高硬度且硬化深度較高的碳氮共滲處理，可以在不產(chǎn)生工藝誘導(dǎo)裂紋的情況下提高合金的硬度和硬化層深度?

3、復(fù)合表面處理技術(shù)

在先進(jìn)制造技術(shù)的持續(xù)演進(jìn)下，對(duì)鈦合金材料服役性能的需求呈現(xiàn)多維度提升趨勢(shì)，這一變革性發(fā)展催生了第二代表面工程技術(shù)的突破，即復(fù)合表面處理技術(shù)?這項(xiàng)技術(shù)融合了兩種或多種不同的表面處理方法，突破傳統(tǒng)單一工藝局限，通過(guò)多機(jī)制耦合作用實(shí)現(xiàn)材料表面綜合性能的顯著提升?典型技術(shù)組合方案諸如等離子噴涂結(jié)合激光處理?熱噴涂配合噴丸工藝?化學(xué)熱處理與電鍍技術(shù)的綜合應(yīng)用等?

Shi 等 [40] 采用傳統(tǒng)噴丸結(jié)合振動(dòng)光整 (vibratory finishing, VF) 對(duì) TC17 鈦合金進(jìn)行表面強(qiáng)化處理?相較于單一 SP 處理，SP+VF 能夠得到更低的表面粗糙度，并保持相對(duì)穩(wěn)定的梯度微觀結(jié)構(gòu)和壓應(yīng)力殘留層，使得復(fù)合處理試樣的高溫 (300 ℃) 疲勞強(qiáng)度相比基材高出 18.2%?Wang 等 [41] 結(jié)合 SP 和氮離子注入技術(shù) (nitrogen ion implantation, NII) 對(duì) TA15 鈦合金進(jìn)行表面處理，并對(duì)處理后的表面形貌?微觀結(jié)構(gòu)?顯微硬度?殘余應(yīng)力以及疲勞行為進(jìn)行分析?研究發(fā)現(xiàn)，SP 和 NII 處理改變了 TA15 鈦合金的表面形貌，并在其表面產(chǎn)生了高密度位錯(cuò)和較大的殘余壓應(yīng)力?此外，合金表面局部應(yīng)力集中得到緩解，疲勞成核位點(diǎn)被推移到表面以下，同時(shí)裂紋萌生和擴(kuò)展的難度增加，疲勞壽命顯著提高?Dong 等 [42] 提出了一種新穎的復(fù)合表面處理方法，即在熱噴涂砂噴之前先對(duì)鈦合金進(jìn)行 SP 預(yù)應(yīng)力處理?研究表明，SP 處理在合金表面以下約 200 μm 的深度產(chǎn)生了大約 900 MPa 的高壓縮應(yīng)力，有效減輕了因噴砂所產(chǎn)生的尖銳特征而導(dǎo)致的應(yīng)力集中?該預(yù)處理抑制了裂紋擴(kuò)展，從而保證熱噴涂 TC4 鈦合金的疲勞強(qiáng)度?相比之下，未經(jīng) SP 預(yù)處理的樣品由于噴砂的負(fù)面影響，疲勞極限降低了 20%?此外，在噴砂之前進(jìn)行 SP 預(yù)處理可以顯著提升涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度 (>60 MPa), 有效增強(qiáng)熱噴涂鈦合金的疲勞抗性?Tabrizi 等 [43] 采用電鍍鉻和等離子體氮化相結(jié)合的方法，在純鈦基材上成功合成了鉻氮化物薄膜?該研究首先采用電鍍方法在純鈦表面涂覆一層薄鉻層，隨后在 600 ℃下進(jìn)行 8 h 的等離子體氮化處理，以形成鉻氮化物薄膜?X 射線衍射 (XRD) 分析及硬度測(cè)試結(jié)果表明，涂層中形成了 Cr?N 相，樣品表面顯微硬度達(dá)到了 1109 HV?.???對(duì)涂層試樣進(jìn)行銷盤摩擦磨損試驗(yàn)，試樣磨損痕跡的場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡 (FE-SEM) 像及 EDS 譜圖如圖 4 所示 [43]?從圖 4 可以看出，涂層試樣在摩擦磨損試驗(yàn)期間形成了 Cr?CrN/Cr?N?Cr?O??Ti 和 TiO?顆粒?鉻氧化物和鈦氧化物具有自潤(rùn)滑特性，因而在摩擦磨損試驗(yàn)中，材料表面的平均摩擦系數(shù)僅為 0.16, 相比純鈦 (摩擦系數(shù) 1.12) 降幅達(dá)到 86%?綜上，鈦基材上合成的鉻氮化物層能夠有效提高材料的耐磨性?耐腐蝕性和表面硬度，為鈦材料在工程應(yīng)用中的性能優(yōu)化提供了新的思路?

目前，復(fù)合表面處理技術(shù)憑借其顯著的性能提升優(yōu)勢(shì)，已在航空航天?生物醫(yī)療等高技術(shù)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用?然而，在實(shí)際服役過(guò)程中，該技術(shù)仍面臨若干關(guān)鍵問(wèn)題亟待解決:① 改性層的力學(xué)性能穩(wěn)定性不足，難以滿足極端工況下長(zhǎng)效服役的需求；② 涂層裂紋萌生與擴(kuò)展存在多機(jī)制競(jìng)爭(zhēng)，易導(dǎo)致材料表面失效；③ 涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度低，在循環(huán)載荷作用下易發(fā)生界面脫粘；④ 現(xiàn)有研究多聚焦于單一性能指標(biāo)，缺乏對(duì)服役環(huán)境 (如高溫?腐蝕?交變載荷等) 耦合作用的系統(tǒng)研究，限制了該技術(shù)在更嚴(yán)苛工況中的應(yīng)用拓展?

4、結(jié)語(yǔ)

隨著新材料和新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，鈦合金表面處理技術(shù)將持續(xù)向復(fù)合化?智能化?綠色化方向發(fā)展:① 復(fù)合工藝的深度開(kāi)發(fā) 現(xiàn)有技術(shù)如激光熔覆?微弧氧化和冷噴涂等各有優(yōu)劣，通過(guò)深度開(kāi)發(fā)復(fù)合工藝，可以實(shí)現(xiàn)鈦及鈦合金表面性能的綜合提升，使材料滿足不同工況下的嚴(yán)苛要求；② 人工智能及數(shù)字化的深度探索 隨著我國(guó)智能制造技術(shù)的發(fā)展，表面處理技術(shù)將更加智能化和自動(dòng)化，通過(guò)引入先進(jìn)的傳感器?機(jī)器人技術(shù)和人工智能算法，可實(shí)現(xiàn)表面處理過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和工藝優(yōu)化，極大提高表面處理效率和質(zhì)量；③ 可持續(xù)發(fā)展的深度推進(jìn) 隨著全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的重視，開(kāi)發(fā)無(wú)污染電解液 (微弧氧化) 和可回收噴涂材料 (冷噴涂) 等綠色技術(shù)，符合我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求，有助于推動(dòng)經(jīng)濟(jì)?社會(huì)和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展?

然而，目前新型鈦合金的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)仍面臨很大的技術(shù)挑戰(zhàn)，鈦合金的性能提升也進(jìn)入到瓶頸期，傳統(tǒng)的合金化策略在挖掘鈦合金性能潛力方面漸顯乏力，且對(duì)于鈦合金性能的提升也有限?在此背景下，鈦合金表面處理技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢(shì)?表面處理技術(shù)可以在不改變鈦合金基體成分和性能的前提下，通過(guò)改變表面狀態(tài)實(shí)現(xiàn)性能的提升?這種方法具有適應(yīng)性強(qiáng)?成本效益高?效果顯著等特點(diǎn)，未來(lái)將有望成為進(jìn)一步提升鈦及鈦合金綜合性能最有效的方法之一?隨著原位表征技術(shù)和智能涂層設(shè)計(jì)的發(fā)展，表面處理技術(shù)正從經(jīng)驗(yàn)主導(dǎo)向精準(zhǔn)調(diào)控演進(jìn)，為突破鈦合金性能瓶頸提供了極具潛力的技術(shù)路徑?

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（注，原文標(biāo)題：鈦及鈦合金表面處理技術(shù)研究進(jìn)展）

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