钛合金因其卓越的生物相容性、高比强度、出色的耐腐蚀性以及在高温和低温条件下的稳定性能而备受赞誉。这些特性使其在生物医学、造船、航空航天和日常生活等众多领域发挥着重要作用。根据不同的相，合金可大致分为α-钛和β-钛，这些合金因其各自的相而表现出独特的性能。α-钛合金的六方紧密堆积结构具有出色的耐高温蠕变性，但塑性有限。相反，β-钛合金的体心立方结构则有助于增强滑移性和塑性。为了优化这些合金的特定工业应用，通常需要进行合金强化，以满足不同的环境和操作要求。本研究回顾并讨论了各种加工技术对钛合金微观结构和金属特性的影响。本文系统分析了机械加工、喷丸强化和表面热处理方法（包括表面淬火、渗碳和渗氮）对钛合金结构和特性的影响。这些研究根据加工和处理方法的不同分为三类：一般热处理、热化学处理和机械加工。大量研究结果表明，表面处理可以显著提高钛合金的硬度和摩擦力学性能。目前，单一的处理方法往往是不够的。因此，结合多种处理技术的复合处理方法有望在未来得到更广泛的应用。作者对近年来的钛合金改性方法进行了综述，旨在帮助和促进在多技术复合处理这一非常重要且前景广阔的方向上的进一步研究。

　　钛合金是公认的高强度轻质结构材料，具有良好的生物相容性、高比强度、耐腐蚀性和高低温性能。钛合金被广泛应用于生物医学、造船、航空航天和日常生活等各个领域。一般来说，根据其微观结构，钛合金通常可分为α合金、α+复合合金、近α合金、α+β合金、稳定β合金和β合金。近α钛合金 Ti6242S 因其出色的高温机械强度而被广泛应用于喷气发动机的热区，可在高达 550℃的温度下有效工作。作为一种典型的双相合金，Ti6Al4V 以其优异的综合性能被广泛应用于航空航天、汽车制造和生物医学领域。此外，β 钛合金 Ti-13V-13Cr-3Al（重量百分比）因其高比强度和良好的高温稳定性，被广泛用于 SR-71 Blackbird 飞机。

　　然而，考虑到工业领域对钛合金高耐磨性、高质量和长使用寿命的需求，传统的制造工艺越来越无法满足这些严格的要求。因此，人们提出了表面强化技术，以改善钛合金的机械性能，最大限度地减少其表面粗糙度，从而获得优异的使用特性。研究人员研究表明，经过 1073 K 热处理后，TA15 合金的伸长率提高到 46.7%。断口形貌观察结果表明，随着热处理时间的延长，凹痕的尺寸和深度都在增加，从而提高了 TA15 的韧性。研究人员发现，喷丸强化后疲劳强度极限提高了 37.6%，这归因于表面形成了 ~260 μm 厚的梯度硬化层。研究人员对钛合金表面进行了离子注入，发现氮离子注入能显著提高钛合金的表面硬度。

　　钛合金的表面特性对表面处理非常敏感，不同的表面处理技术会产生不同的微观结构和机械特性，进而影响其在特定工业用途中的适用性。随着对钛需求的急剧增加，许多先进的表面处理技术已被用于改变钛合金的表面。目前有关钛合金表面处理的研究大多涉及单一处理或包括两种处理技术的复合处理。目前对不同新型治疗方法的研究总结还很少见。对各种新治疗方法的研究总结相对缺乏。本著作从钛合金的制备方法、微观结构、机械特性和强化机理等角度，介绍了合金成分和表面处理的研究进展，旨在改进以往在这一领域的研究成果。

　　钛是地壳中含量排名第十的元素，主要以富钛矿石的形式存在：钛铁矿和金红石。钛及其合金以其轻质、高强度、易加工性和优异的比强度而闻名，已成为各种工业应用中的主要材料。钛与其他金属的密度和比强度比较见表 1。

　　作为一种各向同性元素，钛在晶体学上存在两种结构：室温下的六方紧密堆积结构 (hcp) α 相；以及高温条件下普遍存在的体心立方 (bcc) 结构 β 相。这两种相之间的转变温度约为 882 ℃。钛合金的晶体结构如图 1 所示。除了通过升高温度来强制相变外，添加不同的合金来改变合金相变温度和成分含量也是获得不同组织钛合金的主要方法。

　　钛合金的合金化主要通过改变钛原子的晶格结构、调整晶格常数和电子结构等来影响钛基体的性能。这些变化产生了各种合金类型和微观结构。合金化是改善钛合金组织和提高其机械性能的主要手段，使其保持原有晶体结构的稳定性。根据对不同合金的稳定性偏好，可将钛合金元素分为三类：(1）α 稳定剂，主要是置换元素 Al 和间隙元素 O、N、C 等；（2）β 稳定剂，含有共晶元素 Mo、V、Nb、Ta 和共晶元素 Fe、W、Cr、Si、Co、Mn、H 等；（3）中性元素，主要是 Zr 和 Sn。合金化后，根据室温条件的不同，显微组织大致分为：α 相合金、α+β 两相合金和 β 相合金。

　　根据稳定剂的含量，α 型钛合金可分为单一 α 相的α 合金和含有 1%-2%β稳定剂的近α 合金。图 2 显示了 α 型钛合金的微观结构特征。低对称性六方紧密堆积行（HCP）晶体结构使 α 型钛合金在室温和工作温度下都表现出明显的塑性各向异性。此外，当受到张力作用时，紧密堆积的晶列往往会转变为准解理面，这很容易导致过早断裂。这种趋势大大降低了合金的抗疲劳性，并对其性能产生不利影响。

　　图 2. α 型钛合金的显微组织：（a）α 相边界[18]；（b）初级 α 相和次级 α 相。

　　与室温不同，α 型钛合金在高温和低温条件下均表现出色。例如，α 合金 Ti-5Al-2.5-Sn ELI 由于间隙元素含量低，在 20 K 的低温条件下显示出良好的强度和韧性。因此，它是低温容器和火箭发动机涡轮油泵叶轮等应用的理想选择。此外，密集排列的六方晶体结构赋予其良好的热稳定性和高温蠕变特性，使其在高温条件下具有良好的材料特性。以近α合金 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo （Ti-6242）为例，其高温条件下的机械性能优于两相合金 Ti-6Al-4V （TC4），是航空航天领域的理想材料。

　　β 型钛合金一般具有强度高、弹性模量低和韧性好的优点。其体心立方结构使其具有更多的滑移系统，因此与 α 型钛合金相比，β 型钛合金具有更明显的塑性变形能力。高温条件下较低的致密性和较高的自扩散率导致它们的热稳定性相对较差，从而限制了它们在高温应用中的适用性。根据 β 相稳定元素浓度的不同，β 型钛合金可进一步细分为近 β 合金、亚稳定 β 合金和稳定 β 合金。

　　近β合金和亚稳β合金是具有代表性的高强度β合金，其β相稳定元素含量相对较低，具有良好的机械性能，被广泛应用于航空航天领域的大型承重部件。其中，近β合金中的β相稳定元素含量最少，但却具有高比强度和耐腐蚀性等优异性能。因此，它们非常适合用于航空航天和其他行业的关键结构件，如高强度新型实验合金 Ti-7Mo-3Nb-3Cr-3Al 、Ti-4Al-7Mo-3Cr-3Vl 等。近β合金的显微组织如图 3 所示。近β合金对热机械加工有严格的要求，处理工艺不当容易形成异常粗大的晶粒，影响结构件的质量。

　　与近β合金相比，β相稳定元素含量相对较高的可替代β合金具有优异的综合性能，因此被广泛应用于航空航天工业和生物医学领域。例如，由 研究人员开发的亚稳态 β 合金 Ti-35Nb-7Zr-6Ta-2F-0.5Si 具有良好的生物相容性，而且与 Ti-6Al-4V 相比，其强度更高、弹性模量更低，因此非常适合生物医学应用。Ti-6Cr-5Mo-5V-4Al (Ti-6554)等可替代β合金具有高成型性和高强度特性，在制造飞机起落架等大型零件方面具有良好的应用潜力。然而，它们比其他合金更昂贵，因此在某些领域的发展受到限制。图 4 显示了亚稳 β 合金的微观结构变化。

　　图 4. 785 ℃下亚稳态β合金的微观结构转变。(a) 相扭结；(b) 交错的片状 α 相限制了 β 亚晶的生长；(c) 相对位错运动的阻力。

　　稳定β合金代表了β型钛合金的顶峰，富含最高浓度的β相稳定元素。这种独特的成分赋予了它们与其他 β 型钛合金截然不同的性能特征。研究人员发现，对稳定 β 型钛合金采用的各种热处理技术会对其性能产生深远影响。值得注意的是，晶界的存在被认为是增强这些合金高温抗蠕变性的关键因素。这种增强作用使稳定的 β 型钛合金特别适合高温应用。目前典型的热强化 β 型钛合金有 Ti-35V-15Cr-0.3Si-0.1C 和 Ti-40 等。稳定β钛合金的组织图如图 5 所示。

　　除上述两相外，从 α 相到 β 相转变过程中出现的过渡相一般称为 α+β 相。表现出这种过渡相的合金称为 α+β 型钛合金。作为工业领域最常用的合金类型，两相合金具有优异的综合性能，被广泛应用于航空航天、医疗、船舶等领域。例如，Ti-6Al-4V 被用于制造发动机压缩机叶片[28]。两相合金的优异性能主要取决于其内部组织的特殊性，如α相、β相两相组织，使其兼具α型钛合金和β型钛合金的优点，表现出更高的强度。典型的两相组织如图 6 所示。

　　不同的热处理方法会引起钛合金微观结构的显著变化，从而影响其材料性能。研究人员通过比较钛-6Al-2Sn-4Zr-6Mo 合金在不同温度下进行热处理后组织和机械性能的变化，得出了以下结论：600 °C 时，α相发生 a + b 转变，材料强度显著提高至 1383 MPa。875 °C 时，双层组织的出现提高了材料的延展性，但广泛粗糙化的微观结构导致硬度显著下降（339 HV）。950 °C 时，强度（1012 兆帕）和延展性（17%）略有下降，硬度（352 HV）略有上升。同时，各向同性微观结构的完全再结晶得到了改善。不同温度下材料的显微图像如图 7 和图 8 所示。

　　根据钛合金的不同用途，可将其分为耐腐蚀合金、耐热合金、低温合金和高强度合金，以及具有特殊功能的合金。

　　与其他金属材料相比，钛在室温下具有更高的活性，在大气和水溶液中很容易发生反应，生成致密的氧化物。TiO2 氧化膜的形成是钛合金具有超强耐腐蚀性的基石。在表面氧化层的保护下，钛合金产品非常适合在海洋工程和石油开采等高腐蚀性环境中使用，能够在具有挑战性的工作条件下保持其完整性。自诞生以来，抗腐蚀钛合金一直在不断发展。目前，有四个相对成熟的耐腐蚀合金系列，即钛-钼合金、钛-钯合金、钛-镍合金和钛-钽合金。

　　因此，不难看出，加入不同的合金元素是提高合金耐腐蚀性的主要方法之一。研究人员研究的结果表明，引入键序值（Bo）较高的元素（如 Ta、Nb 等）可有效加强基体与合金元素之间的化学键。这种增强会降低极化曲线上的临界阳极电流密度，从而提高合金的耐腐蚀性能。研究人员发现，在钛合金中引入铬和钼等元素可促使钝化膜形成钛钼和钛铬双氢氧化物。这一过程可加速合金的自发钝化，使氧化膜更加稳定，从而在高浓度还原酸中表现出较高的耐腐蚀性。目前，含铂或钯的钛合金是公认的最耐腐蚀的合金。然而，由于成本限制和其他实际因素，它们的广泛应用受到很大限制。

　　微观结构的变化对材料的耐腐蚀性也有重要影响。研究人员的研究表明，在恒定应变速率下，片状组织比等轴组织具有更高的应力腐蚀敏感性，这是因为α相的含量更高。此外，研究还表明，片状组织可以通过改变裂纹扩展路径来提高材料的应力腐蚀敏感性。晶粒大小和晶界数量的影响也是决定耐腐蚀性的关键因素。当合金的晶粒尺寸通过加工手段减小到微米或更小时，材料的性能就会显著优化，强度、硬度和致密性都会提高，同时晶界数量也会增加 。这有利于增加合金表面与外部环境的接触面积，形成致密均匀的氧化层，提高耐腐蚀性。与合金化相比，此类手段（如剧烈塑性变形）可有效降低成本，并消除合金材料内部原有的缺陷，从而提高材料的机械性能。

　　表面处理也是提高合金耐腐蚀性的一种有效手段，涂层法通常被认为是提高合金耐腐蚀性的首选方法。此外，热处理等工艺也会通过改变合金材料的表面特性而显著影响材料的耐腐蚀性。以氮化处理为例，众所周知，等离子氮化（PN）可以通过形成氮化钛层来提高表面硬度和耐腐蚀性。研究人员比较了电子束熔化（EBM）Ti-6Al-4V 合金在海水中进行 PN 处理前后的腐蚀电流密度。他们发现，PN（PN-EMM）处理后合金的腐蚀电流密度明显低于原始样品，这表明处理后材料的耐腐蚀性能得到了有效改善。图 9 展示了 EBM 和 PN-EBM 样品在天然海水中的动电势极化曲线. EBM 和 PN-EBM 样品的动态电位极化曲线. 耐热合金

　　添加合金元素和利用有序相强化是提高合金抗氧化性能和高温性能的有效方法。徐建军等研究发现，添加高含量的W可以提高合金的氧化活化能，使合金生成更加均匀致密的氧化层，明显提高合金的抗氧化性能。W的添加对α片层和有序α2-Ti3Al相也有重要的细化作用，使合金的室温屈服强度和高温屈服强度提高，长时间热暴露后的塑性更好。图10给出了无W合金和添加4.0 W (wt.%)的合金(W40)在650 ℃暴露100 h后的SEM图像。

　　大部分高温合金中都会加入铝来增强α相，但含铝钛合金在长时间高温下容易因有序α2-Ti-3Al相的析出而发生粗化，这对合金的塑性不利，并且容易发生冷驻疲劳。增加合金中Al的溶解度可以抑制有序α2-Ti3Al相的生长，从而提高材料的热强度和热稳定性。曹等比较了Al与α-Ti中其他合金原子的相互作用，发现Mo、Ru等Al原子的陷阱可以增加Al的溶解度，抑制Ti3Al金属间化合物在α-Ti中的生长，从而改善含铝高温合金的热力学性能。稀土元素可以通过改变合金的金相组织来影响合金的热机械性能。李等。发现Re的引入使合金中β相含量明显增加，合金的抗拉强度有所提高，同时该元素还起到了细化晶粒尺寸和片层厚度的作用，并有效地抑制了Al、Ta等元素的扩散。添加Re后，该类合金的热强度有所提高，但塑性有所降低。图11为添加Re前后Ti-Al-Ta-Nb合金的组织像对比。

　　与铝合金、不锈钢等其他金属材料相比，钛合金在低温环境下表现出优异的耐蚀性、韧性和较高的比强度。常用于制造储氢罐、氢泵叶轮、航空航天结构件等低温设备。目前国内外使用的低温合金以α型钛合金为主，如TA7、TC4 ELI等。

　　通常情况下，合金的硬度随温度降低而升高，而伸长率和断裂韧性则呈下降趋势，这使得合金在低温下表现出明显的脆性。除温度外，合金的低温韧性和塑性还受到间隙元素含量、合金成分和微观组织的影响。国内外研究人员通过降低合金中碳（C）、氢（H）、氧（O）等间隙元素的含量来提高这些性能，如TA7 ELI合金甚至可以在−253℃下使用。与低Al合金相比，高Al合金由于Al的存在，容易与周围原子发生化学作用，阻碍位错运动，从而降低合金的塑性。

　　微观组织是影响材料低温塑性的另一重要因素，低温下的层片组织由于变形曲线上的锯齿数较多，且易发生孪生，所以比等轴组织具有更好的低温塑性。目前，普遍使用的低温钛合金多为近α合金和含有少量β相成分的双相合金，一般塑性较差。而且α钛合金不能通过热处理进行强化，因此，低温合金的使用受到了很大的限制，只能用于低应力部件。随着科学技术的飞速发展，对合金在低温下的塑性和强度必将提出更高的要求。因此，开发低成本、高强度、高塑性的合金可能将成为今后一段时期高温合金领域的研究重点，而β相合金的低温性能研究可能成为低温合金研究的重要方向。

　　高强度钛合金是指室温下抗拉强度大于1100MPa的合金，主要包括近β钛合金和亚稳定β钛合金，如Ti5Si3和TB17。高强度钛合金通常具有比强度高、韧性好、耐腐蚀性能好等特点，在航空航天和国防工业中得到广泛的应用。

　　钛合金的强度和韧性通常受晶粒尺寸、金相组织和合金元素的影响。Lu等研究发现晶粒内的α片层可以强化β基体，延长裂纹扩展路径，从而优化合金的强度和韧性。Mantri等研究发现，晶粒内的α片层可以强化β基体，延长裂纹扩展路径，从而优化合金的强度和韧性。通过对β-21S钛合金(Ti-15Mo-3Nb-2.7Al-0.2Si,wt.%)进行时效处理,析出层状αs相,有效提高了合金的强度,从而成功优化了钛合金的强韧性。

　　固溶时效等热处理技术是提高β合金强度的有效手段。对比观察图12可知,随着热处理温度的升高,α相的宽度迅速增长,合金中析出的提高强度的α’相数量明显增多。随着热处理过程的继续,该相不仅变得更加细化,而且有助于提高合金的强度。加入合金元素是提高合金强度最常用的方法,例如引入Al元素可以促进α相的析出,有助于固溶强化,放大固溶时效强化效果。高强度合金广泛应用于各种用途，常见高强度钛合金的化学成分如表3所示。

　　形状记忆功能是指严重变形的合金在加热到其转变温度以上时恢复其预期形状的能力。根据合金成分的不同，可分为铜基、铁基和镍钛基合金三类。其中，Ni-Ti基合金因其双向形状记忆、超塑性效应和良好的生物相容性而被广泛用作医疗应用的植入物和手术工具。此外，Ni-Ti合金在工业领域也很常用。而早期美国率先在工业领域使用NiTiFe合金管接头，尤其是在F14战斗机上。近年来，随着各国对形状记忆合金基本性能研究的不断深入，NiTiFe合金的应用领域也进一步扩大。

　　β型Ti-Nb合金在磁场建立过程中具有良好的抗应力能力，是工业应用的可行超导材料。铌钛合金与其他材料相比，具有强度高、塑性好、力学性能优越、成本低等显著优势，被广泛应用于各个领域，是低温超导材料中应用最广泛的材料，在粒子油门踏板、核磁共振、军事扫雷、超导输电与储能、磁悬浮列车等领域都有应用。近年来，随着各国对超导材料的研究不断深入，铌钛材料的需求量不断上升，仅医学研究中的核磁共振一项，每年消耗的铌钛超导导线吨以上。未来，超导材料领域将迎来快速发展，铌钛合金作为超导材料的重要组成部分，有望得到更加广泛和深入的应用。此外，研究人员发现某些钛合金在特定条件下可以吸入氢气，并按照指定的过程释放氢气，证明钛合金具有储氢功能。近年来，氢能等新能源的研究和应用成为解决当前能源危机的主要途径，这对储氢材料的容量、安全性和成本提出了更高的要求，Ti-Cr基合金因价格低廉、储氢量大而受到研究人员的重视。专业人员对Ti-Cr基合金的研究发现，Ti-Cr基合金具有储氢量大、价格低廉、性能稳定等优点。探究了Mn对Ti-Cr基合金储氢性能的影响，发现引入Mn不仅能有效降低Ti和Cr的氧化，还能最大程度地减少TiCr2合金中吸氢C14型相的损失，使其在低温条件下具有优异的储氢性能。

　　此外，多主元素合金的加入，利用原子尺寸差异引起的晶格畸变，使氢原子占据合金中更多的间隙位置，从而有效提高其储氢能力。多主元素合金制备成本相对较低，储氢能力大，吸氢速度快，是未来储氢材料发展的主要方向之一。

　　钛及其合金因其优异的材料性能而备受赞誉，用途极为广泛。然而，在大多数工业情况下，它们不能直接满足工作环境的要求。因此，通常需要提高材料的机械、力和化学性能以适应不同的操作条件。金属性能通常与表面材料的摩擦和耐腐蚀性以及许多其他物理和化学表面性能直接相关。钛合金的性能在很大程度上取决于表面材料的质量，而表面材料的质量又受到表面金属的磨损和腐蚀的影响。研究人员证明，根据工作环境的变化，明智地选择加工技术和参数对于实现良好的表面功能性能至关重要。良好的表面形貌对材料的质量有积极的影响。为了提高零件的抗疲劳性，表面强化通常作为制造过程的最后一步。

　　所有已建立的金属表面处理方法都适用于钛合金，根据工艺性质可分为机械处理、热处理和化学处理。这些处理本质上都是为了改善合金的表面性能或在合金表面形成一层保护层，以减轻氢、氧或腐蚀剂对基体的影响。根据具体的工作环境选择合适的处理方法，可以显著提高合金的性能，同时保持其固有的材料和机械性能。本节将深入研究钛及其合金的机械处理方法，并讨论各种热处理技术。

　　机械加工是一种常见的机械处理手段，包括机械喷丸、机械磨削处理等技术。这些技术的共同原理是将动能施加到固体介质上，然后固体介质与工件表面相互作用。这种相互作用利用施加的力来修改工件的表面轮廓。这些方法的主要目的是强化材料的表面或实现所需的表面形貌特征，如特定的图案或表面粗糙度水平。

　　机械加工是钛合金常见的表面处理技术之一。然而，鉴于钛合金是一种典型的难加工材料，提高其表面质量并减少加工过程中的刀具磨损是一项巨大的挑战。研究人员提出了一种新颖的混合加工工艺来提高合金的可加工性和机械性能。该工艺如图 13 所示。在这种混合加工工艺中，激光辅助金刚石车削用于软化材料表面，从而提高可加工性。此外，还采用慢刀伺服切削来创建各种微结构阵列。

　　图13. (a,b)加工高质量微结构阵列的实验装置；(c,d)原位激光辅助金刚石车削的工作原理。

　　在加工过程中，摩擦产生的高温会使钛的化学活性增加，使其与空气中的氧气发生反应，生成高硬度的氧化物。这些反应通常会产生高硬度的氧化物，使后续加工步骤复杂化。此外，化学活性的升高还会导致钛的部分冷焊到刀具上。因此，钛的加工由于硬度要求不同，不易与刀具材料的结合扩散钛一起加工。研究人员通过电火花加工研究了钛合金（Ti-6Al-4V）的可加工性，并确定了最合适的刀具材料以获得更好的加工性能。这表明超硬材料是车刀的首选。研究进一步支持了超硬切削刀具材料可以有效缓解粘结问题，有利于钛合金的精加工和高速加工。例如，聚晶立方氮化硼刀具可以在高切削速度、低进给和低背吃刀的条件下有效切削钛合金材料，保持稳定的切削力和较低的加工表面粗糙度。此外，聚晶金刚石刀具在加工钛合金时，在200 m/min以上的速度下仍能保持良好的刀具寿命和加工表面质量。

　　研究人员进一步从磨削温度、磨削力、表面粗糙度和缺陷率等方面评价了钛合金的磨削性。实验结果表明，在低温纳米润滑剂最小量润滑的帮助下，表面粗糙度和磨削力的值明显降低。此外，与低温空冷相比，他们观察到工件表面的缺陷率降低了84.5%。研究人员从切削力、表面粗糙度、毛刺形成分析和微切屑形貌等方面比较了铸造Ti-6Al-4V和选择性激光熔化Ti-6Al-4V的可加工性，发现选择性激光熔化Ti-6Al-4V具有更高的可加工性，切削力更低，表面粗糙度更低，毛刺形成更少。

　　除了传统的刀具加工外，电火花加工（EDM）作为一种新的精密加工方法，常用于处理钛合金等难加工材料。该方法通过在工具电极和工件试样之间施加调节的电脉冲来实现材料去除。EDM装置如图14所示。

　　电火花加工的表面质量和加工效率主要受电极材料和脉冲导通电流的影响。研究人员通过比较脉冲导通电流(IP)和脉冲导通时间(Ton)对材料去除率的影响，发现脉冲导通电流(IP)和脉冲导通时间(Ton)对材料去除率的影响显著。研究人员通过探究工具电极对电火花加工性的影响，发现脉冲导通电流(IP)和脉冲导通时间(Ton)对α-β钛合金材料去除率的影响，评价依据材料去除率和表面形貌，最终确定铜电极增强材料去除机理，碳化钨电极由于熔点高，加工后表面产生的凹坑较小，且加工后的表面粗糙度优于其他电极材料。黄铜电极熔点较低，加工后表面产生的凹坑较大，表面粗糙度和电极磨损较大。

　　喷丸 (SP) 是一种用于表面层强化的强大技术，可有效提高部件的表面寿命和耐用性，同时保留其原始的内部化学结构。其工作原理是利用压缩空气、加压水、超声波能量或离心力将球形颗粒以高速推向材料表面。弹丸的冲击会在部件表面产生压缩残余应力。引入压应力可有效防止裂纹的产生和扩展，并提高材料的抗疲劳性。此外，喷丸还能有效细化晶粒组织，从而起到提高疲劳强度和抗应力腐蚀开裂性能的作用。图15为SP工艺及引入塑性变形的示意图。

　　金属材料的塑性变形能力取决于位错移动性和塑性应变率。限制位错运动可提高材料强度。SP 过程中的塑性变形程度与总冲击能量的大小直接相关。这表明决定 SP 有效性的三个主要因素是爆炸大小、爆炸速度和爆炸次数。每个因素都在确定冲击能量水平以及 SP 过程中实现的塑性变形程度方面发挥着关键作用。

　　研究人员对传统 SP (CSP) 和微 SP (MSP) 进行了比较研究。发现，微喷丸比高速大尺寸粒子的冲击更能抑制裂纹的萌生。这种功效可使表面表现出优异的光洁度和增强的疲劳性能。然而，MSP 中使用的较小尺寸也意味着较低的动能，导致冲击层深度较浅。因此，对于需要严格耐腐蚀和耐磨性的合金，MSP 通常不受欢迎。研究人员通过耦合本征模型研究了不同喷丸尺寸对微观结构的影响，发现较大的喷丸尺寸会增加位错密度层的深度。该合金具有更高的压缩残余应力，并表现出更高的耐腐蚀性。

　　喷丸的优点是工艺简单，无需受热，并且适用于复杂和固有的条件。然而，其工艺参数的确定仍然是一项艰巨的任务。使用小尺寸喷丸可能不会影响更深的合金，从而限制了耐腐蚀性的改善。相反，大尺寸颗粒的轰击往往会增加表面粗糙度和摩擦系数，从而导致点蚀和应力集中缺陷的产生。因此优化喷丸工艺系数、开发更好的喷丸工艺手段是提高喷丸技术的有效途径。

　　表面机械磨削（SMAT）是一种基于高频球冲击的新型表面纳米化技术。它采用高频球冲击的原理，在表面引起强烈的局部塑性变形。该过程实现了冲击层内晶粒尺寸的细化，同时引入了位错密度和残余应力。值得注意的是，SMAT在不改变材料化学成分的情况下提高了材料性能。

　　SMAT技术产生的表面主要受振动频率和处理时间的影响。研究人员通过比较不同时间的STMA处理后的结晶层厚度，发现表面纳米晶层的厚度随着处理时间的增加而增加。此外，研究人员研究了SMAT对涂层力学性能及其耐腐蚀性的影响。他们发现SMAT处理有效提高了受影响区的硬度并改善了涂层的磨损率。不同加工速度下钛合金横截面微观结构的SEM图像如图16所示。此外，他们还发现材料的磨损率与超声电极振动幅度呈正相关关系。图17为不同加工处理后试件磨损轨迹的三维形貌。研究人员人证明，经表面机械研磨处理后，在商用纯钛表面生成了一层超细晶粒层，摩擦系数降低了60%。

　　SMAT处理技术成本低廉、使用灵活，可显著改善材料的表面性能，具有巨大的潜在增值空间，尤其是与涂层等其他表面处理技术相结合时。其工作原理与机械喷丸相似，但仍存在一些差异。例如，SMAT涉及随机定向冲击，有利于晶粒细化。此外，SMAT中使用的弹丸通常更大、更光滑。此外，与普通机械加工和机械喷丸相比，SMAT可以在不受尺寸限制的情况下在大尺寸材料上实现高速剪切变形和大应变梯度，达到表面自动纳米化的目的。

　　热处理作为一种传统的处理工艺，被广泛用于防止裂纹和孔洞的形成，以及克服不稳定相和内应力的产生。通过对材料进行加热和冷却，使金属发生相变或再结晶，从而实现内部组织和结构的变化，使合金达到特定的所需材料性能。钛合金的性能与其表面金属的性能密切相关，因此需要根据工作环境的要求对钛合金进行有针对性的表面热处理。

　　据研究人员介绍，钛合金根据化学元素的引入大致可分为两类：一般热处理和热化学处理。第一种方法可以利用材料的冷热变形来改变金属组织结构，优化材料内部的应力分布，获得更好的耐磨性和抗疲劳性。另一方面，热化学处理是通过注入不同的合金元素来实现表面改性，从而形成具有更高硬度的合金。目前，普遍采用的热化学方法有渗硼、渗碳、渗氮、碳氮共渗等。

　　钛合金表面热处理有利于改变表面材料的微观结构和组织，从而影响材料的性能。表面热处理操作也被证明是延长钛合金材料使用寿命和提高钛合金部件耐磨性的有效方法。本节重点介绍钛合金的表面淬火和退火工艺。

　　众所周知，淬火通过改变合金中的相组成和元素重新分布，可显著提高材料性能。研究表明，在固相温度以上和以下淬火可产生均匀分布的单相组织。该工艺有效地消除了与组成元素偏析相关的缺陷，并减轻了选择性相腐蚀。因此，材料的耐磨性得到了显着提高。

　　研究人员开发了一种钛合金快速气体成型和模内淬火的新成型工艺。模内淬火过程中，通过形成大量细小的马氏体组织，可以显著提高成形件的强度。例如，Ti-3Al-2.5V合金零件的屈服强度和抗拉强度分别提高了26.5%和15.2%，而伸长率仍能达到16.2%。传统的淬火方法通常涉及对整个工件进行处理，这会导致塑性降低和潜在的脆性断裂，从而对基体的机械韧性产生不利影响。这一挑战导致了表面淬火的发展，表面淬火只针对材料的表面层，形成元素分布均匀、耐腐蚀性能增强的过饱和层。由于表面淬火主要作用于表面，金属基体的内部组织和性能基本保持不变，保留了内部金属原有的力学特性。目前，激光淬火和感应淬火是钛合金淬火的两种主要方式。激光淬火是目前钛合金淬火最普遍的方法。该工艺是将高密度能量束照射到金属表面，在光热作用下，金属表面瞬间熔化，然后迅速凝固，形成分布均匀、垂直晶界发达的超细针状马氏体，大大提高了材料的耐磨、耐腐蚀性能。激光淬火具有加工效率高、淬火深度可控等优点，可最大程度减少应力引入，不易产生孔隙缺陷，同时激光处理的快速冷却效果可使表面粗糙度和轮廓变化最小。

　　高频感应淬火作为一种快速热处理技术，具有过程可控、升温速度快、清洁、能耗低、环境友好等优点，在工业领域得到了广泛的应用。快速淬火可形成温度梯度，材料表面温度迅速降低，而基体温度下降较为平缓。这种差异冷却速度有利于高频感应淬火时在材料深度上形成不同的微观组织，从而产生表面和心部不均匀的力学性能。通过高频感应淬火处理成功制备了梯度微观组织，以改善Ti-6Al-4V合金的力学行为。结果表明，合金的梯度微观组织由表层由a-马氏体分解出的细小片层组成，到心部为双峰微观组织，且具有梯度微观组织的合金具有最佳的强度-延展性协同。然而，值得注意的是，高频感应淬火在钛合金表面强化中的应用仍未得到充分探索，这为材料科学的进一步研究提供了潜在的途径。

　　在淬火处理过程中，热梯度会引起内应力和塑性应变。机械行为取决于局部温度和微观结构。为了揭开这一现象的神秘面纱，研究人员进行了全面的数值模拟，仔细研究了 Ti17 合金。他们的研究开创性地考虑了淬火过程中热、机械和微观结构演变的协同效应。同时，重点研究了 β 和 α+β 相变对淬火过程中内应力演变的影响。此外，为了定量评估与激光处理过程中产生的形态结构相关的参数，研究人员引入了一种数学分析方法。该方法结合对激光处理固有的随机性和周期性的考虑，用于分析激光冲击波处理后钛纳米颗粒表面出现的有序波动。

　　退火是材料制造领域的关键工艺，主要是因为它能够有效缓解或完全纠正加工过程中不均匀变形通常引起的不均匀微观结构，如 中所述。这种热处理有助于缓解材料固有的残余应力，从而提高合金微观结构的稳定性和整体韧性。此外，退火对材料微观结构的均质化有重大贡献，确保对后续加工或操作应力的响应更加一致和可预测。为了说明此过程，图 18（如 中所述）提供了详细的示意图，描述了退火样品的制备及其后续表征。

　　退火温度和退火时间是影响处理后材料使用性能的主要因素。何志军等在一项开创性研究中，对退火对冷轧后TB8合金微观结构的影响进行了细致的研究。他们的研究结果强调，退火温度与晶粒长大时间指数呈正相关。此外，随着保温时间的延长，晶粒长大所需的活化能呈现增加的趋势。这一现象在图19中得到了生动的说明，该图比较了不同热处理制度下TA10合金的微观结构转变。显微照片显示，再结晶驱动随着退火时间的增加而增加。另一方面，较高的退火时间会导致大晶粒消耗小晶粒。分散在α相之间的β相逐渐减少，而α相的体积分数呈现增加的趋势。这种转变导致形态从等轴组织变为韦氏组织。这种微观结构演变导致材料表现出增强的塑性，尽管强度略有降低。

　　热化学处理是最常见的表面处理方法之一，包括渗碳、渗氮和其他元素渗碳表面处理。这些方法通过将碳和氮等元素注入合金基体，从根本上增强了表面合金的材料性能。这种注入会形成一层硬化层，该硬化层是陶瓷颗粒和固溶体的复合物，详见。通过这种方法形成的硬化层的质量受许多因素的影响，例如氧化层、气体氛围、处理时间和温度。氧化层会严重阻碍碳和氮等元素的渗透。因此，通常需要在渗碳前通过打磨和清洁去除表面氧化层。增加处理温度和时间也可以产生更厚的饱和渗透层。这种增强的渗透有助于显著提高处理材料的耐磨性和硬度，从而延长材料的使用寿命并拓宽其在苛刻环境中的应用范围。

　　碳是对钛合金表面硬度影响最大的元素之一，而将碳注入合金表面层可有效提高表面金属的硬度和耐磨性能。通常认为，对材料表面起主要强化作用的是渗碳层中坚硬的TiC颗粒。以Ti-6Al-4V渗碳处理为例，经碳化处理后材料表面形成由碳化物颗粒组成的硬化层，与处理前材料相比，处理后材料的硬度提高约128%，材料的疲劳强度和耐磨性得到提高。渗碳处理产生的渗透层厚度随处理温度的升高而增厚，且渗透层与亚表面之间无明显的锋利感。这些方法包括固体渗碳，将合金暴露于富碳的固体介质中；液体渗碳，浸入含碳液体中；气体渗碳，采用富碳气体气氛；等离子渗碳是利用等离子体状态的离子化气体进行渗碳。

　　固体渗碳是无氢渗碳的一种重要方法，是一种有效的提高钛合金表面性能的技术，对材料基体性能的改变很小。渗碳前必须去除样品表面的氧化层。随后，将样品包裹在渗碳剂中，并放置在密封的腔室内。固体线所示。固体渗碳后，TiC增强相和Ti-C固溶体被引入合金的α-Ti相中。α-Ti的碳含量增加，表面层的硬度提高。随着样品深度的增加，α-Ti的体积分数逐渐降低，内层金属层的碳含量降低。因此，经固体氮化处理的样品通常表现出随着样品层深度的增加而金属硬度降低的现象。研究人员对Ti-6Al-4V合金的实验结果证实了这一现象，该实验表明随着样品深度的增加，扩散层中α-Ti相的体积分数显著降低。此外，硬度测试结果表明，与未处理材料相比，两种渗碳表面的显微硬度均显著提高了约100％。

　　固体钛合金（蓝色表示）和“碳海绵”（黄色表示）在高温下以原子尺度接触，使间隙碳原子（黑色表示）从“碳海绵”定向扩散到基材。具体而言，当钛合金（Ti6Al4V）和铸铁在低于铸铁熔点的高温（例如 1100°C）下以原子尺度接触时，铸铁中的间隙碳原子会扩散到钛合金中，形成 TiC 层。该过程的特点是金属原子的相互扩散可以忽略不计，这显著促进了随后铁的去除，留下了涂有 TiC 的钛合金。所得涂层的特点是其等轴 TiC 晶粒的成分和完整的密度，标志着钛合金表面涂层技术领域的显著进步。

　　固体渗碳因其操作简单和成本效益而受到认可，在提高合金的硬度和耐磨性方面起着关键作用。然而，这种技术目前受到其相对较低的渗碳效率的限制。由此产生的渗透层通常表现出一些局限性，例如较薄、多孔、容易发生不可控的氧化反应。此外，该层的质量受工艺温度的显著不利影响，凸显了其在某些条件下应用中的固有缺陷。

　　液体渗碳又称盐浴渗碳，是一种在液体介质中进行渗碳的方法。熔盐可以为金属表面处理提供高温下的液体反应介质，与水溶液相比，熔盐具有良好的热导率，在高温下离子迁移扩散速度快，导致固/液（S/L）和金属/碳化物界面反应速度更快。此外，CO2、碳酸盐等无机碳源可作为制备碳化物的原料，通过电化学还原或氧化转化为碳，制备碳膜或金属碳化物。此外，由于熔盐对金属基体具有良好的润湿性，也为在成型结构件上制备涂层提供了可能。研究人员展示了一种通用的盐热渗碳法制备TiC涂层，如图22所示。在熔融的 CaCl2-CaC2 中，在低于 900 °C 的温度下，在 Ti 基体上高效制备了 TiC 涂层。Ti 的自发碳化归因于 Gibbs 自由能的负形成。TiC 的生长由 C 在 TiC 涂层中的扩散决定，而扩散是由熔盐/TiC 界面处的高碳势驱动的。涂层的生长动力学遵循抛物线定律，表明这是一个扩散控制过程。

　　图 22. (a–c) 初始样品和在 900 °C 下渗碳 2 小时后的样品的 SEM 图像和结构组成。(d) SEM 映射、(e) 元素的线性扫描和 (f) TiC 涂层的渗碳机理过程。

　　气体渗碳是钛合金渗碳的一种普遍方法，主要利用高碳含量的气体，如甲烷和一氧化碳 (CO) 作为碳源。该过程通常涉及恒温加热。同时，引入氮气 (N2) 等惰性气体作为保护剂，以避免材料的潜在氧化或防止氢脆，这是高温处理中常见的问题。升高的炉温促进碳从气源中分离，随后使活性碳原子与表面钛原子发生反应，从而形成 TiC（碳化钛）。图 23 显示了典型的气体氮化装置。

　　渗碳温度是对层质量影响最大的因素。较低的温度将导致碳原子活性降低，从而导致生成的层厚度较薄。随着渗碳温度的升高，反应活性降低，但活性碳原子的可用性和扩散能力增加。这种变化有利于碳更深地渗透到钛基体中，从而形成更厚的渗碳层。这种依赖于温度的动力学对于调整钛合金中渗碳层的深度和质量至关重要。研究人员比较了不同渗碳温度下TA2合金的XRD物理和金相组织。并得出渗碳层厚度随渗碳温度升高而增加的结论，且当处理温度超过882.5 ℃时，钛合金的组织发生变化，而马氏体组织的异常粗化为碳原子进入组织间隙提供了更多的可能性。不同温度渗碳的TA2合金的XRD物理相图和金相柱状图如图24所示，相关的组织特征如图25所示。

　　气体渗碳可以有效提高材料的硬度、摩擦系数和耐磨性。该方法具有加工温度高、渗碳速度快的特点，循环时间约为固体渗碳的一半。操作简单，污染小，使气体渗碳成为连续和大规模生产的首选。此外，通过调节碳势来控制渗碳层厚度的能力是该技术的显著优势，可以精确定制表面性能以满足特定的应用要求。但渗碳温度过高会使马氏体晶粒异常粗大，导致材料力学性能下降。

　　离子渗碳是在低渗碳气氛下利用阴极和阳极之间的辉光放电效应进行表面渗碳的一种工艺，常用于提高合金的硬度、耐腐蚀性和摩擦学性能。与传统渗碳手段相比，离子渗碳可以在3-6小时内获得更高质量和更大的渗层厚度，在加工效率和渗层质量方面都有了实质性的提高。离子渗碳源于多种技术，包括等离子电解渗碳和双层辉光等离子渗碳，拓宽了其在表面处理工艺中的应用和功效。

　　离子渗碳层的质量主要取决于渗碳温度。大量研究表明，渗碳温度对原子的扩散过程起着决定性的作用。在同样条件下，高温更容易在金属表面形成复合层，而复合层很可能阻碍碳原子向更深的试件渗透。研究人员比较了不同温度对TC4渗碳层质量的影响，发现950 ℃获得的渗碳层质量优于1000 ℃和900 ℃获得的渗碳层，强调了优化温度对获得最佳渗碳效果的重要意义。

　　图27为SLM-C-TC4的SEM横截面，表面形成了黑色的TiC层，随后形成了灰色的过渡层。而钛基体中含有α-Ti和β-Ti，而过渡层中只含有β-Ti。这表明碳在钛基体中的扩散促进了钛由α相向β相的转变。另一方面，较厚的过渡层表明渗碳层与钛基体之间的结合良好。

　　研究人员研究了渗碳对钛合金DLC涂层结合强度的影响，发现渗碳处理能有效减小DLC涂层的晶粒尺寸，从而提高涂层的致密性。渗碳层还能抑制DLC涂层本体中的晶界迁移，防止晶粒粗化，提高涂层的热稳定性。渗碳DLC涂层的SEM照片和3D图像如图28所示。渗碳DLC涂层的横截面SEM照片和EDS线. 渗碳 DLC 涂层的 SEM 显微照片和 3D 图像。（a）。低倍放大下的涂层表面。（b）。高倍放大下的 DLC 涂层。（c）。沉积在不同预处理基材上的涂层表面轮廓。

　　与辉光等离子渗碳相比，双辉光等离子渗碳技术通过形成两个不同的辉光离子渗层，进一步提高了渗碳合金的硬度和使用寿命。郑某等研究发现，双辉光等离子渗碳可以引入过饱和空位形成梯度结构层，加速金属元素向外迁移。这一过程加速了金属元素向外迁移，导致梯度结构层发展更快。渗碳后，由于空位浓度梯度的存在，表层硬度得到明显提高。

　　离子渗碳热处理时间短，渗层质量高，用途广泛，可以对各种形状和复杂程度的工件进行清洁处理，在不破坏钛合金原有性能的情况下，提高材料表面的硬度和耐磨性。然而，不可避免的空心阴极效应、难以规模化生产等缺点，仍然是其广泛应用的重大障碍。值得一提的是，物理气相沉积、化学气相沉积等新处理方法的出现，为钛合金离子渗碳提供了新的选择和发展方向。

　　氮对钛合金表面硬度有显著影响，氮化处理可显著提高钛合金表面硬度和耐摩擦腐蚀性能。目前，较常见的氮化处理包括固体氮化、气体氮化和等离子氮化。这些处理通常需要几个小时才能实现所需的表面改性。然而，固体和气体氮化通常会产生结构松散且多孔的层，这可能导致氢脆，从而无法满足工件的质量标准。另一份研究报告显示，等离子氮化可以在一小时内完成表面合金氮化，与其他两种方法相比，氮化效率和层质量都有明显提高。在本节中，介绍了三种不同的钛合金氮化方法。

　　盐浴氮化是一种表面改性技术，涉及在500至600°C温度下在熔盐介质中将氰化物分解为氰酸盐。该过程有利于盐中的氮扩散到工件表面，氮原子以间隙固溶体的形式渗入表面。由于工作温度相对较低，盐浴氮化被归类为低温表面处理。盐浴氮化中的主要氮源来自氮化盐中的氰酸根离子。然而，氮化过程中的高温会导致氰酸盐逐渐分解并形成氰，这对健康构成风险。因此，盐浴氮化技术的开发一直朝着低氰、无氰溶液和更快的加工速度的方向发展，以缓解这些问题。

　　通常，盐浴氮化需要延长处理时间。然而，氮化过程中长时间暴露在高温下会导致氮化层中出现孔隙，从而对合金的硬度和耐磨性产生不利影响。为了提高盐浴氮化的氮化效率，研究者们向多个方向发展，其中就包括加入稀土元素来改变合金的金相组织。例如，朱等通过对比加入稀土元素前后氮化钛合金的金相组织，发现稀土原子由于其较强的表面吸附能力，可以吸引大量活性氮原子，这些原子以较低的能量吸附到工件表面，显著提高基体表层的氮浓度。

　　盐浴氮化具有设备成本低、氮化温度低、工件变形小等优点，有效提高了试样的粗糙度、硬度和耐磨性，拓宽了其应用范围。盐浴氮化后在水中淬火的工件硬度会大大提高，经该方式处理的工件通常可用于制作紧固件、汽车零部件（如螺母、螺栓）等。但盐浴工艺中分解产生的剧毒氰化物仍是一个亟待解决的问题。

　　气体氮化是钛合金表面改性的一种方法，即将钛合金置于氮气或氮氢混合气体中加热，在表面形成一层Ti2N或TiN硬化层。氮源主要来自氮气或氮氢等气态介质。根据加热方式不同，气体氮化可分为真空氮化和激光氮化。

　　真空氮化是近年来发展起来的一项创新技术，涉及一系列步骤以增强钛合金的表面性能。该工艺首先将钛合金放入炉中，然后用惰性气体吹扫杂质气体。然后将炉子抽线次真空-气体清洗循环。将合金加热至800°C并在此温度下维持约一小时。此步骤对于分解钛表面氧化层至关重要，从而减少其对氮原子渗入基体的阻碍。这样的温度设定还有利于合金表面形成细小的层状组织，有助于细化晶粒，减少层状组织。最后通入高纯氮气进行氮化处理30 min，使氮充分扩散到基体中，重复上述操作，直至达到氮化处理时间，即可生成一层致密的氮化层。间歇式真空氮化处理尤其能有效分解钛合金表面残留的氧化层，提高活性氮原子的数量，提高表面氮的吸附速率和反应速度。较高的氮势进一步有利于氮向内扩散，从而得到较厚的氮化层。

　　真空氮化具有操作简单、成本低、能灵活适应各种工件几何形状等特点，但也存在一定的局限性，通常处理时间较长，且随着氮化时间的延长，氮化层厚度会增加。但新形成的氮化层会阻碍氮的进一步扩散，导致材料变脆、变薄、与基体的结合强度差等问题。氮化过程的时间控制至关重要，过长的处理时间会导致氮化层因长时间高温而剥落，处理时间不足又不能满足材料的耐磨性要求。为了克服这些缺点，激光氮化逐渐被应用于钛合金的表面改性。这项经过不断探索而发展起来的技术为传统真空氮化带来的挑战提供了解决方案。高纯度氮气与该熔池发生反应形成氮化层，显著提高处理表面的耐磨性和耐蚀性。该技术的一个关键优势是其表面特定处理，这基本不影响钛合金基体的力学性能。通过限制处理过程中的工艺参数，可以控制钛合金氮化层的厚度和硬度。激光氮化的工作原理如图30所示。图31为不同激光氮化能量的样品的磨损机制示意图。

　　随着深度的变化，从渗流层表面到熔池底部，氮浓度呈现梯度变化，同时形成的氮化物也呈现出不同的金相组织。在渗流层近表面处，TiN以树枝状晶的形式存在，二次树枝晶垂直于一次树枝晶生长，如图32a所示。由于TiN树枝晶对氮的偏向作用，近表面区域的氮化物浓度最大，硬度也最高，这一推断与图32d的结果一致。在中间区域，通常称为热影响区，组织主要由平行排列的马氏体组成，呈针状组织为主，如图32b所示。热影响区的TiN含量相对近表面区域较低，其硬度相对于氮化物区较低，一般为基体硬度的两倍。随着深度的增加，氮化物以颗粒的形式在界面区域析出（图32c）。在此区域中，热影响区不太明显，并且合金的整体结构基本保持不变。

　　与真空氮化相比，激光氮化的加工时间大大缩短。通过重复的激光扫描可以增加氮化层的厚度。在本文讨论的氮化处理中，激光氮化可实现最高的处理后表面硬度。然而，由热积聚效应引发的表面裂纹等缺陷仍然是一个亟待解决的挑战。因此，保持高硬度和限制裂纹的产生仍然是优化激光氮化工艺参数的重要问题。值得一提的是，近年来，学者们提出了一种结合表面氮化和表面编织的新型表面强化策略。该方法已被证明可以在编织物表面产生40–60μm均匀、无裂纹的氮化层。研究人员还报道了复合处理可以显著降低材料的磨损率和摩擦系数。并能有效控制热变形、抑制裂纹的产生，解决了传统激光渗氮的主要缺点之一。

　　从离子氮化的工作原理来看，离子氮化的速度与气体介质中的氮含量以及辉光放电的电压或温度有较大关系。气体介质中的氮含量越高，氮化速度越快，但也会导致表面氮化物的快速形成，从而阻碍氮的向内扩散和氮化层的生长，进而影响材料的耐磨性。研究发现，Ti6Al4V 合金的气体氮化需要在接近或超过 1000 °C 的温度下进行，而等离子氮化的最佳温度范围为 700 至 900 °C。这样既能形成 TiN 化合物的表面保护层，又能保持工件的机械性能。氮化层由表面的化合物层（TiN 和 Ti2N）和随后的氮扩散区（α-Ti(N)）组成。在以前的工作中，研究人员已经证明通过空心阴极等离子源氮化可以在 Ti6Al4V 表面形成保护性的 Ti-N 层。并且在此过程中形成了纳米晶/非晶 TiN 的特殊复合层结构。

　　离子氮化能显著提高钛合金的表面硬度和耐磨性，并能通过改变合金的微观结构形成细晶粒层，从而使钛合金表现出更好的机械性能，但长时间的高温氮化容易导致不良晶粒的生长和析出，不利于钛合金材料性能的提高。研究人员的研究也表明，氮化层的硬度和脆性随温度的升高而增加，对耐磨性有显著影响。低温环境不利于氮化层的生长。因此，氮化层可能无法满足表面改性的要求。因此，选择合适的处理温度和处理时间是确保氮化层质量的重要环节。离子氮化的特点是能效高、速度快、工件变形小、污染程度低、适用于表面复杂的工件。但其成本高、能耗大等缺点限制了该技术的应用。而且传统的直流等离子氮化往往会造成表面损伤、边缘效应和空心阴极效应，对氮化层的质量产生负面影响。为了克服这些缺陷，研究人员做出了许多努力。主动屏蔽等离子氮化技术是主动屏蔽等离子氮化技术之一。这种创新方法利用金属网笼传递阴极电位，将等离子体的形成从部件表面转移到网笼上。因此，它能有效缓解与直流等离子氮化相关的许多固有问题。该技术的实验装置如图 34 所示。

　　为了解决这些问题，人们付出了巨大努力，最终开发出了主动屏蔽等离子氮化技术。这种创新方法利用金属网笼传递阴极电位，将等离子体的形成从部件表面转移到网笼上。因此，它能有效缓解与直流等离子氮化相关的许多固有问题。该技术的实验装置如图 34 所示，展示了其改进氮化工艺的独特方法。

　　虽然这种主动屏幕等离子氮化方法解决了传统等离子氮化工艺的许多固有缺陷，但也带来了一个新问题：该工艺的氮化温度高达 800 ℃ 左右。当应用于钛合金时，这种高温可能会导致大晶粒的生长，从而有可能影响钛合金基体的机械性能。因此，在采用这种方法时，通常需要采取额外的措施来降低钛合金氮化所需的温度。一些研究表明，喷丸强化可获得具有表面梯度的纳米晶结构。表面纳米晶层中的高能晶界可为氮的扩散提供通道，有利于节省氮化时间和降低氮化温度。

　　例如，研究人员对喷丸强化后的纯钛进行了氮化处理，发现氮化温度降至 550 ℃。同样，研究人员在 SP 之后通过 ASPN 将 TC4 钛合金的最佳等离子氮化温度降至 500 ℃。研究人员通过比较经过喷丸强化预处理和未经过预处理的氮化 TA17 样品，进一步证实了这种方法的有效性。他们发现，喷丸强化产生的表面纳米晶体显著增强了氮化动力学，促进了氮化物的形成。观察图 35 中原始 TA17 样品和经过喷丸强化处理的 TA17 样品的表面形貌和扫描电镜截面图像，可以发现经过喷丸强化处理的氮化样品在表层生成了更多的氮化钛颗粒，形成了网状结构。此外，生成的复合层也更厚。结合之前的研究，可以发现 SP-ASPN 氮化技术不仅能有效降低氮化温度，还能产生质量和厚度更优的氮化层。

　　总之，喷丸强化和 ASPN 氮化技术的结合在钛合金的表面处理方面具有显著优势。这种方法不仅能有效降低氮化所需的温度，还能提高氮化层的质量和厚度。

　　等离子体电解氧化（PEO）作为一种前景广阔的高压等离子体辅助电化学方法，可以在浸没在电解液中的金属基底上生成氧化物陶瓷状涂层。其涂层在原位生长，由两层结构组成：内层致密，外层多孔。目前，PEO 已被证明是一种有效的表面处理方法，可用于 Ti6Al4V 合金的增材制造，以获得具有高硬度、高耐磨性和耐腐蚀性的涂层。然而，气孔和裂纹等固有缺陷限制了这种涂层在医疗领域的发展。

　　随着技术和金属表面处理技术的不断进步，钛合金在生物医学、造船和航空航天工业中的应用预计将进一步扩大。同时，这些先进技术还可能被用于制造更广泛的合金，如铝合金和耐高温合金。本文所讨论的进展不仅突显了表面处理技术的发展，也为未来优化金属合金机械和化学特性的研究铺平了道路。我们的全面综述强调了材料科学领域持续创新和跨学科研究的重要性，以开发更高效、更经济、更环保的表面处理方法。

　　总之，本综述全面考察了具有不同微观结构的钛合金的特性，并研究了各种表面处理方法（包括机械加工、传统热处理和热化学处理）在微观结构层面对钛及其合金的表面质量和材料性能的影响。研究结果表明，与单一处理方法相比，复合表面改性技术在提高金属材料性能方面更具优势。

　　淬火和退火等常见热处理方法被认为是改变合金冶金结构的有效手段，从而提高金属表层的性能。引入钛敏感元素的热化学处理可在钛合金表面形成保护层，减轻外部影响和与合金基体的接触。渗碳元素在热处理前引入，可在表面形成纳米结构，促进元素扩散，降低渗碳温度要求，最终提高热处理效率，形成更高质量的渗碳合金。