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　　为了提高钛及钛合金的耐磨性，有效地利用钛合金的优良性能，国内外学者作了大量的研究工作，其中最主要的是采用表面强化技术对钛及钛合金进行表面改性。目前对金属的表面处理方法几乎全部应用到了钛合金的表面处理上，包括金属电镀、阳极氧化、微弧氧化、离子氮化、真空电子束表面处理、激光表面处理、等离子喷涂等等。

　　磨损失效主要发生在“表面” 上, 而表面工程技术正是从表面着手, 以多种方法制备出性能优异的表面功能层, 从而有效地保护基体材料。结合众多高性能材料发展的历史, 钛合金采用表面工程技术提高其耐磨性要比发展高耐磨的钛合金材料更加有意义。

　　火花放电渗碳,该工艺过程是在绝缘的油中进行的，电极与钛零件之间产生火花放电，由于油热分解会生成碳，同时因为放电而使钛表面局部升温后熔化、等离子化或气化，使碳进入工件表面形成渗碳层。经放电加工后的钛表面呈鱼鳞状，硬化层为TiC硬质相，厚度为5μm 左右，其硬度可达HV22000MPa，是基材钛合金表面硬度的11 倍。

　　等离子体辉光渗碳,该技术可以直接在钛合金表面形成合金层，合金层存在着表面扩散渗层和过渡镀层两层，覆盖层与基体没有明显的界面，所以结合强度比较高。如果采用石墨作为源极，对钛及钛合金工件进行辉光渗碳，就可以在工件表面形成含有TiC 硬质相的硬化层。经处理后的钛合金表面呈黑色，没有裂纹及其渗碳层不会剥落。随着渗碳温度越高，时间越长，表面TiC的含量就越高。含有硬化层的试样表面显微硬度达HV6000MPa 以上(原始基材HV2300MPa)，硬化层厚度在110μm左右[4]；

　　激光表面合金化是一种局部表面变质处理的新方法, 主要有激光粉末涂敷合金化、激光气体合金化和激光硬质粒子喷射合金化等三种。

　　目前对钛合金表面激光强化研究主要集中在TiN涂层、TiC 涂层、Ti5-Si3耐磨相的制备上。该法具有诸多优点，是一种比较有前途的表面处理方法。

　　电镀和化学镀是最早应用于钛合金表面耐磨处理的表面工程技术, 通过在钛合金表面镀镍、镀硬铬、镀镍-铬、镀镍-磷等来提高其耐磨性。这类处理技术成本低, 工艺简单, 容易实现。但结合强度一般不高, 镀层较薄且湿镀较易产生氢脆。

　　热喷涂技术通过在Ti -6AL -4V 表面上形成Mo、以Al2O3、Cr2O3增强的钴基合金、TiC 、TiO2、Co-Cr -Mn 以及弥散有硬质相的铁基、镍基、钴基硬质合金层来提高其表面耐磨性。这种方法具有沉积速度快、涂层较厚、固有的孔隙可截留润滑剂、成本低等优点, 同时也存在着涂层表面较粗糙, 界面不连续,结合强度不高等不足。目前其研究主要集中在涂层和基体结合强度问题上[2]。

　　钛在地壳中分布很广，其蕴藏量仅次于铝、铁、镁而居金属元素的第四位，其开发和利用虽很晚，但近二十年发展的相当快。究其原因，钛和钛合金主要有以下特点：①比重较小，仅为铁的一半稍高；②强度较高，可与钢铁相匹配，而比强度则是目前金属材料中最高；③耐腐蚀性强，无论在大气中、海水中以及在含硝酸和氯气的氧化介质中， 其抗蚀能力都相当高，抗应力腐蚀的能力也很强；④加工成形及焊接等工艺性能也相当好。以上优异性能决定了钛及钛合金被广泛的应用于航空领域、生物医学、汽车、文体用品、电子行业、船舶领域和钛合金染色新技术[1]。

　　激光合金化是在高能束激光作用下，将一种或多种合金元素与基材表面快速熔凝，即利用激光改变金属及合金表面的化学成分，该方法具有以下优点：①在金属零件的局部表面处理后能获得高级合金的性能；②改性层深度和宽度得到精密控制；③由于激光加热层温度梯度大，故结合层窄，结合质量好，而且对基体金属性能的不利影响极小；

　　为此，近年来发展一种离子束辅助增强沉积技术( IBED）能够解决气相沉积的一些缺陷，如很高的沉积温度，膜层与基体间存在明显的界面等。IBED 是一种较新的薄膜制备和表面改性技术，在钛合金上的应用具有广泛的潜力。

　　利用离子束增强沉积(IBED)方法制备了CrC硬质膜,可用于钛合金的微动磨损防护。研究表明,CrC显示出最好的微动疲劳特性；而喷丸后涂覆的CrC 膜则显示出了最高的微动磨损抗力。[6]

　　【作者单位】中国船舶重工集团公司第七二五研究所,河南 洛阳 471023

　　钛合金具有密度低、比强度高、耐蚀性好及优异的高温力学性能等优点，在航空航天、石油化工和医疗等领域的应用日益广泛。但由于耐磨性差及高温抗氧化性差等缺点限制了其在工业中的进一步应用。因而如何提高钛合金的耐磨性是目前钛合金表面改性研究工作中的热点和难点。

　　渗硼方法是一种极为有效的改善钛表面以及金属表面性能的方法，渗硼层主要由钛基体、中间相、和表层组成，出现这种情况原因是由于硼原子浓度多少和扩散快慢造成的， 但中间相（TiB）和表层（TiB2）可以结合形成结构致密的复合层膜。

　　渗硼方法中应用较多的是固体法，开发成本低、渗速快、温度低的固体渗剂是推进渗硼工业化应用亟待解决的问题。随着表面技术的发展，许多新的渗硼技术应用于钛及钛合金，如激光粉末涂敷合金化法、火焰喷涂渗硼法、自蔓延渗硼共晶化法、真空渗硼法等。激光技术、等离子体技术、高频电磁技术、纳米技术等先进技术的发展和有机结合，将使渗硼技术向高效率、低能耗、无污染以及便于操作的方向发展[3]；

　　为了提高钛合金的耐磨性, 常用的化学热处理方法有渗氮、渗硼、渗碳、渗氧等。

　　钛合金表层适于采用渗氮硬化工艺。目前钛合金渗氮技术主要包括气体渗氮、等离子体渗氮和激光渗氮。气体渗氮是通过在氮气或在氮气—氢气气氛中加热处理, 而在钛及钛合金表面形成Ti2N 及TiN 等硬质相, 从而提高其表面耐磨性。等离子体渗氮是利用辉光放电来实现的, 在等离子体渗氮过程中, 等离子状态的氮离子被电场加速, 撞击工件, 离子动能转变为热能, 使工件温度升高, 同时通过离子冲击时的溅蚀作用及扩散作用, 使氮向工件表面内部扩散, 达到氮化的目的；

　　【摘 要】钛合金具有比强度高,中高温性能好和耐腐蚀等显著优点,但其缺点是表面硬度低、耐磨性能差,为了提高钛及钛合金的耐磨性,有效地利用钛合金的优良性能.本文对钛合金表面耐磨处理技术的各种方法,如电镀、化学镀、热喷涂技术、化学热处理、气相沉积、离子注入、微弧氧化、激光表面合金化和激光熔覆、等离子喷涂、加弧辉光离子渗镀与双层辉光离子渗镀技术、表面纳米化技术、电泳涂装、钛合金表面电火花沉积强化技术、热扩散、液相沉积、离子轰击等等进行了综述.

　　微弧氧化又称微等离子体氧化或阳极火花沉积，是一种在Al、Ti、Mg等有色金属表面用等离子体化学和电化学原理产生微区弧光放电现象，利用微弧区瞬间高温烧结作用，直接在基体表面原位生长陶瓷层，从而提高合金的表面性能。钛合金表面微弧氧化可以在钛合金表面产生一层TiO2陶瓷层，该陶瓷层能够有效地改善钛合金的耐磨损性能。

　　激光熔覆又称激光涂覆或激光熔敷，是一种新型的材料加工和表面改性技术，其实质是将具有特殊性能(如耐磨、耐蚀、抗氧化等)的粉末先喷涂在金属表面上或同激光束同步送粉，然后使其在激光束作用下迅速熔化、扩展及快速凝固，在基材表面上形成无裂纹、无气孔的冶金结合层的一种表面改性技术。激光熔覆技术有以下优点：①激光束能量密度高，凝固时冷却速度快，激光熔覆层凝固组织细小；②可以在同一零件的不同部位根据需要进行不同的熔覆；③基体和熔覆层的结合是冶金结合，而且熔覆层组织具有明显的梯度渐变特征，使熔覆层与基体之间有良好的结合。

　　对钛及其合金进行表面渗氧可有效的改善其表面性能，是钛及其合金表面改性的一种新方法。氧促扩散技术是将氧扩散(Oxygen Dif f usion，OD)和热氧化(Thermal Oxygen，TO)两种方法结合起来对钛及其合金进行渗氧，该方法首先将钛合金放在电阻炉中进行高温氧化形成具有一定厚度的氧化物层，随后在真空炉中进行扩散，形成具有一定厚度且与基体结合强度高硬化层，充分发挥氧在钛合金中的固溶强化作用。

　　现已发现有一种基于氧化的复式处理法，它可在Ti-6Al-4V 上生成性能最佳的硬化层。这种增强/ 扩散氧化处理（ BDO）能生成一层厚的亚表面层，以加强薄的表面耐磨损热氧化（TO）层。

　　采用气相沉积, 在钛合金表面沉积TiC 、TiN 、TiCN 、TiB2、ZrB2、类金刚石等膜层, 同样可提高其耐磨性。

　　激光熔覆技术是新型的表面改性技术，具有加热速度快、熔覆层与基底冶金结合、熔覆层成分和稀释度可控等优点，已成为改善钛合金表面性能的有效手段之一。

　　根据熔覆材料体现出不同的功能，大致可将钛合金表面激光熔覆层分为以下4种：抗高温氧化涂层、耐腐蚀涂层、耐磨涂层和生物陶瓷涂层[8]；

　　激光熔凝是指利用高能密度的激光束扫描工件的表面，使表面薄层熔化并在极快的冷却速度下凝固。激光熔凝可以在金属材料表面ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ得高硬度、高耐磨性和高温性能的改性层；同时可使零件的心部仍保持较好的韧性，使零件具有耐蚀性好、冲击韧性高、疲劳强度高的特点。

　　钛的硼化物是一种硬度高、导热性好的陶瓷材料，进行渗硼处理使钛的表面形成硼化物是改善钛的耐磨性的一种非常有效的手段。到目前为止, 对于钛的渗硼处理, 已试验了固体法、粉末法、盐浴浸渍法、膏剂法、盐浴电解法、离子渗硼法、双层辉电等离子渗硼法、液相等离子渗硼法等。经过硼化处理的钛合金, 其耐磨性得到了不同程度的提高, 其中钛合金经膏剂法渗硼处理后，其磨损量显著减少， 摩擦系数不足未渗硼材料的一半。

　　目前, 有关钛合金微弧氧化的研究工作仍在进行, 主要集中在俄罗斯科学院远东的某些科研院所。而国内对于钛合金表面微弧氧化的研究才刚刚起步, 多数是针对不同电解液中所得膜层的组织结构进行探讨和研究。钛合金表面微弧氧化陶瓷膜具有许多卓越的性能, 如膜层硬度、耐磨、耐蚀等优良特性, 还有待进一步的深入研究[7]。

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　　固体渗氧技术是将钛及其合金放置在装有特殊固体渗氧介质的密封容器中进行渗氧处理.

　　激光渗氧是采用激光辐照钛合金表面，由于钛金属会使激光能量大部分反射，在钛合金表面添加含TiO2的氧化物粉末，使用粘结剂将氧化物粉末覆盖在钛合金表面，并使用激光对钛合金表面进行辐照使钛合金表面发生微熔，从而形成渗氧层，有效的提高了钛及钛合金的使用寿命，并且可对指定的区域进行渗氧[5]。

　　钛及钛合金具有前述的一系列优点，但其缺点是表面硬度低、耐磨性能差，纯钛的硬度约为150～200HV，钛合金通常不超过350HV。这样的硬度值在很多情况下不能满足实际生产应用的要求。例如，当用作滑动部件(如阀及导杆、活塞销和连杆轴等)时，易与对磨材料发生粘着，造成粘着磨损，这就严重地限制了其应用范围。

　　耐磨涂层是激光熔覆中研究最多、应用最广的一种涂层。激光熔覆涂层的耐磨性主要取决于增强相的种类及其在熔覆层中的含量和分布。目前激光熔覆层中获得增强相的方法主要有原位生成法及直接添加法。

　　为了提高钛合金的耐磨性能，以Co基合金粉末、钛粉和活性碳为原料，利用激光熔覆技术在TC4钛合金基材表面制得以原位自生TiC为增强相的耐磨涂层。

　　离子注入是选用一种高能量离子束注入到材料的表面中, 使材料表面成分和性能发生变化, 是一种物理合金化过程。把离子种源B、C、N、O向钛合金注入, 会相应地产生钛的硼化物、碳化物、氮化物和氧化物的硬质沉淀相, 从而提高合金表面硬度和耐磨性。

　　微弧氧化（Microarc oxidation ，MAO）是一种在基体金属表面原位生长陶瓷膜的新技术，通过MAO 处理能有效地改善钛合金在苛刻环境中的耐磨、耐蚀和抗高温氧性能。MAO 作为一种新型、简单和高效的表面处理方法有着广泛的应用前景，提高其生物活性、耐磨减摩等性能仍是未来的研究热点。