在當前我國科學技術全面化發展，有較強抗腐性的鈦及其合金被廣泛應用于航空航天等領域，但是例如無法滿足過強負荷的耐磨性等問題限制鈦及鈦合金進一步發展，因頻繁更換造成成本投入過高。目前有效解決方法有提升鈦合金各方面性能的重構組織成分，以及形成表面土層的表面增強技術，后者在經濟效益方面更具有實際意義。

1、鈦及鈦合金表面增強技術研究現狀

1.1 表面納米化處理

作為新型表面處理技術，納米化處理可以實現在不改變鈦及鈦合金表面材料成分的前提條件下，僅使用物理、化學等手段，將材料需要處理位置上層的晶粒進行深度細化，直到納米級別，從根本上解決材料表面抗疲勞問題，進而提升鈦及鈦合金表面耐腐蝕性能，在實際應用上也可以提高耐磨性能。使用噴丸法、超音速微粒轟擊法等，將處理工具與工件表面進行充分作用，讓鈦及鈦合金表面晶粒被機械方法破碎，深度細化后，對其表面進行強化。對TC4鈦合金使用高能噴丸表面納米化技術，可以保障晶粒尺寸接近 20nm，借助表面硬度高于原材料的硬化層，提升材料抗疲勞性能。而處理 TA2 后，晶粒尺寸接近 30nm 的納米表層，其表層晶粒形成可以提升材料硬化程度的形變孿晶[1]。尤其是我國在 623K 條件下在鈦及鈦合金處理方面要強于美國相關規范，目前是事業領先水平。使用超音速微粒轟擊法，對 Ti-6Al-4V 合金進行處理，可以在其表面衍生出納米等軸組織，擁有 20nm 晶粒尺寸，讓合金表面相較于原材料硬度可以提升一倍以上。但是這種表面納米化處理因為起步較晚，沒有廣泛推廣。

1.2 表面擴滲和離子注入

與表面納米化處理不同，表面擴滲和離子注入將金屬或非金屬材料摻雜在鈦合金基體材料中，改變其表面組織成分，借助改性層產生提升鈦合金基體表面抗性。例如鈦及鈦合金表面使用氮、碳等非金屬材料滲透，或使用鋁、鉬等金屬材料進行擴散，從而提高鈦合金基體耐磨性與耐腐蝕性。

使用網狀陰極輝光放電法，將 Ta 對 TC4 基體表面進行滲鍍，可以有效提升 TC4 基體耐腐蝕性能 [2]。利用固體粉末包埋法，利用制備滲鉬層方式，可以有效將 TC6 表面相結構大幅度改變，讓 TC6 表面硬度提升至 1400HV ；目前在科學技術快速發展，真空技術理論研究與使用功能深度也逐漸提升，可以在原有表面滲透技術基礎上，衍生出一種離子注入技術。例如使用離子滲氮方法，可以將 TA7 鈦合金表面硬度提高至 1200HV。而使用加弧輝光離子無氫滲碳技術，處理 Ti6AI4V 合金表面，其表面硬度可以達到 935HV，也表現出較強的耐磨性。也可以使用液相等離子電解碳氮共滲技術處理 Ti6Al4V 合金，使合金表面產生 Ti 沉積的硬質涂層。

而增加使用該方式處理鈦合金時間，可以有效提升硬質滲層厚度，提高鈦合金的耐磨性。

1.3 表面涂層技術

在基體材料表面使用相應工藝進行處理，復合涂層與基體材料，使其基體表面產生保護涂層，在化學、熱學等方面都具有良好性能。可以借助表面涂層的耐腐蝕與耐熱性，減少生產成本支出，從而提升產品性能，在后續使用中也具有較長使用壽命。目前使用氣相沉積、熔覆等方式的表面涂層技術，可以有效提升鈦合金耐磨性能，對于抗腐蝕性也有較強效果 [3]。將表面活化和氫化處理有機整合，可以有效提高鈦合金表面導電性能，也可以避免與例如軟性雨水等接觸后，產生材料腐蝕問題。而使用氣相沉積技術，將 TA2、TC11 基材制成 TiAIN 膜層，可以將膜層與基體結合部分形成三種元素相互結合的冶金結合，有效增強基材各類性能。

2、鈦及鈦合金表面增強技術發展趨勢

2.1 集成計算材料工程的新思路

作為當前材料研究主要方向，集成計算材料工程可以重構材料基因組，將龐大計劃材料科學計算工具整個為一個具備多種功能的系統，對于材料學快速研發具有重要意義。通過材料改造工程設計，將原本材料設計與制造兩個環節有機整合，降低材料研發試錯成本，提高研發效率，對于從微觀與宏觀角度研究材料提供新角度，也提供在例如超高溫低溫等極端環境條件下，研究材料各項數值變化渠道。

由于鈦合金表面增強技術涉及到材料表面成分設計，構建微結構特殊物理化學特性，引入集成計算材料工程，可以有效降低鈦合金實際應用研究成本，拓寬鈦合金材料應用廣度。借助 Ni 合金熱力學數據庫提供的數據信息，可以完整對鈦合金表面激光熔覆鎳基合金的熱力學相變過程進行系統化研究，使用有限元模擬鈦合金工作環境溫度場，從而有效分析在使用激光熔覆方式構建 TiC-NiCrBSi 覆層，其應用性能效果 [4]。而且，借助 thermo-cale 軟件進行相變動力學計算，可以詳細追蹤、記錄鈦合金熱力學相圖，對于Ni.Ti.C等原子在實驗條件下化合構成NiB與TiC進行檢驗，比較激光熔覆工作效率與質量。我國先進鈦合金航空科技重點實驗室對鈦合金特性進行反復實驗，成功摸索對鈦合金表面增強最佳激光熔覆功率，即速度保持在 4 mm/s，作用范圍維持在 4.5mm，功率可達 2.5kW。

目前使用集成計算材料工程研究鈦合金表面增強技術，整合熱力學與數值模擬方式，對材料基體涂層形成進行研究，同時分析應力場、溫度場對涂層影響情況。借助熱力學和動力學基礎數據庫，對鈦合金表面的熱力學組織形成效果進行預測，并嚴格掌控材料表面相變過程，使用定向設計方法增強鈦合金表面效果，對于鈦合金表面增強技術更新迭代具有重要意義。而且，在嚴格約束材料在處理前后的各項條件下，工藝參數采用可視化方法，可以更好掌握材料基體性能變化，推動鈦合金表面工程以低成本、高效進行技術研發。

2.2 膜層設計的新方法

伴隨工業快速發展，涂層技術的理論研究與實踐應用也逐漸被熱門挖掘，同時也對鈦金屬表面增強技術提出更高要求，例如在要求鈦金屬表面具有較強耐磨性能時，同樣具備較高導電、導熱能力，擁有耐腐蝕效果的同時，也要有較好抗沖擊能力等。在工業具體需求逐漸拓展到各個領域，提升鈦金屬表面性能成為當前技術要求，也同樣要求膜層組織結構具有更強表現性能。在這種背景條件下，膜層設計逐漸成為工業研究重點項目內容。針對不同需求，需要設計具備不同功能的磨蹭，以及材料相應結構設計。對膜層調幅周期進行有效調整，對于提升膜層性能具有重要幫助，例如借助物理、化學氣相沉積，可以提供納米級到微米級的膜層調幅周期。當前應用較為廣泛的功能梯度膜層，讓材料基體到膜層實現無縫性能漸變，有效避免材料基體與膜層因物理性質不契合，導致材料基體表面膜層失效問題 [5]。利用納米結構設計技術，將其與多層復合膜整個，有效提升鈦合金表面增強技術應用效果。利用 DLC 具有較高硬度，對于摩擦力較小性能較為突出，也誕生 DLC 功能梯度結構設計概念，現在已經有小批量生產的 DLC/TiC/TiNTi 功能梯度膜，不僅在化學方面具有較強抗性，功能也相較以前有較大進步，可以在基體與膜層之間構建過渡粘結層，進而使兩個相互擴散，對于 兩者有機結合具有重要意義。

2.3 多技術復合的新工藝

當前工業生產鈦合金表面處理技術以電鍍、微弧氧化等技術為主，但是這些技術如果單獨使用，膜層質量無法完全保障，也存在一些例如能源消耗過度，生產效率較低等問題[6]。

例如電鍍的鈦合金表面處理就存在膜層結合力差問題，而且工藝技術使用的鍍液也會造成環境污染。在這種現實條件下，整合兩者或兩者以上技術，在促進膜層質量提升的條件下，也可以規避因使用單一技術而造成環境污染，或經濟效益低下等問題。對材料基體表面進行噴砂處理，并使用超音速火焰噴涂 Co-WC 涂層的綜合處理方式，并對 TC18 鈦合金表面疲勞規律進行跟蹤研究，可以發現在超音速火焰噴涂 Co-WC 涂層技術的高溫作用下，可以有效降低 TC18 鈦合金表面在噴砂處理進行的機械處理殘留壓應力，有效提升鈦合金抗疲勞性能。而在醫療行業的鈦及鈦合金表面增強技術，利用氧化、鍍碳、類金剛石薄膜的綜合性技術，可以讓其鈦合金表面形成與材料基體具有較強結合力的薄膜，提高材料基體的耐磨性能，提升抗腐蝕能力。利用熱噴涂與激光熔覆整合技術，可以在銅合金表面制成 NiCrFeWBC 自熔性合金涂層，可以讓涂層與材料基體結合效果有效提升，涂層耐磨性要遠高于常規使用熱噴涂方法制成的合金表面涂層。

3、結論

雖然目前在鈦及鈦合金的表面增強技術方面，有著喜人的進步，而且鈦的實際應用與理論研究也在逐漸成為工業發展重要組成成分，但是仍不能以當前成果為終點，而是應當繼續深入材料層面，使用重構組織成分方法提升鈦合金性能，從源頭上解決鈦合金高效率的問題，加快我國在分子重組方面的研究能力，從而帶動我國工業健康發展，為實現我國經濟轉型奠定技術基礎。

參考文獻：

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[2]周紅霞，李成新，李長久 . 冷噴涂制備鈦及鈦合金涂層研究進展 [J]. 中國表面工程 ,2020,33;161(02):7-20.

[3]王 易 山 . 鈦 及 鈦 合 金 熔 煉 技 術 發 展 現 狀 [J]. 世 界 有 色 金屬 ,2020,545(5):23+25.

[4]顧俊，劉釗鵬，徐友鈞，等 . 鈦合金及其激光加工技術在航空制造中的應用 [J].應用激光 ,2020,40(03):175-183.

[5]王鵬成 ,潘永智 ,李紅霞 ,等 .離子注入對鈦合金表面摩擦磨損性能的研究進展 [J].工具技術 ,2020,54;567(11):6-10.

[6]郭晉昌 ,石玗 ,耿培彪 ,等 .激光維持等離子體鈦合金表面滲氮研究進展 [J].材料導報 ,2020,34(05):113-118.