TC4/TC11/TC18等钛合金表面增强技术的研究现状与发展趋势

在当前我国科学技术全面化发展，有较强抗腐性的钛及其合金被广泛应用于航空航天等领域，但是例如无法满足过强负荷的耐磨性等问题限制钛及钛合金进一步发展，因频繁更换造成成本投入过高。目前有效解决方法有提升钛合金各方面性能的重构组织成分，以及形成表面土层的表面增强技术，后者在经济效益方面更具有实际意义。

1、钛及钛合金表面增强技术研究现状

1.1 表面纳米化处理

作为新型表面处理技术，纳米化处理可以实现在不改变钛及钛合金表面材料成分的前提条件下，仅使用物理、化学等手段，将材料需要处理位置上层的晶粒进行深度细化，直到纳米级别，从根本上解决材料表面抗疲劳问题，进而提升钛及钛合金表面耐腐蚀性能，在实际应用上也可以提高耐磨性能。使用喷丸法、超音速微粒轰击法等，将处理工具与工件表面进行充分作用，让钛及钛合金表面晶粒被机械方法破碎，深度细化后，对其表面进行强化。对TC4钛合金使用高能喷丸表面纳米化技术，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层，提升材料抗疲劳性能。而处理 TA2 后，晶粒尺寸接近 30nm 的纳米表层，其表层晶粒形成可以提升材料硬化程度的形变孪晶[1]。尤其是我国在 623K 条件下在钛及钛合金处理方面要强于美国相关规范，目前是事业领先水平。使用超音速微粒轰击法，对 Ti-6Al-4V 合金进行处理，可以在其表面衍生出纳米等轴组织，拥有 20nm 晶粒尺寸，让合金表面相较于原材料硬度可以提升一倍以上。但是这种表面纳米化处理因为起步较晚，没有广泛推广。

1.2 表面扩渗和离子注入

与表面纳米化处理不同，表面扩渗和离子注入将金属或非金属材料掺杂在钛合金基体材料中，改变其表面组织成分，借助改性层产生提升钛合金基体表面抗性。例如钛及钛合金表面使用氮、碳等非金属材料渗透，或使用铝、钼等金属材料进行扩散，从而提高钛合金基体耐磨性与耐腐蚀性。

使用网状阴极辉光放电法，将 Ta 对 TC4 基体表面进行渗镀，可以有效提升 TC4 基体耐腐蚀性能 [2]。利用固体粉末包埋法，利用制备渗钼层方式，可以有效将 TC6 表面相结构大幅度改变，让 TC6 表面硬度提升至 1400HV ；目前在科学技术快速发展，真空技术理论研究与使用功能深度也逐渐提升，可以在原有表面渗透技术基础上，衍生出一种离子注入技术。例如使用离子渗氮方法，可以将 TA7 钛合金表面硬度提高至 1200HV。而使用加弧辉光离子无氢渗碳技术，处理 Ti6AI4V 合金表面，其表面硬度可以达到 935HV，也表现出较强的耐磨性。也可以使用液相等离子电解碳氮共渗技术处理 Ti6Al4V 合金，使合金表面产生 Ti 沉积的硬质涂层。

而增加使用该方式处理钛合金时间，可以有效提升硬质渗层厚度，提高钛合金的耐磨性。

1.3 表面涂层技术

在基体材料表面使用相应工艺进行处理，复合涂层与基体材料，使其基体表面产生保护涂层，在化学、热学等方面都具有良好性能。可以借助表面涂层的耐腐蚀与耐热性，减少生产成本支出，从而提升产品性能，在后续使用中也具有较长使用寿命。目前使用气相沉积、熔覆等方式的表面涂层技术，可以有效提升钛合金耐磨性能，对于抗腐蚀性也有较强效果 [3]。将表面活化和氢化处理有机整合，可以有效提高钛合金表面导电性能，也可以避免与例如软性雨水等接触后，产生材料腐蚀问题。而使用气相沉积技术，将 TA2、TC11 基材制成 TiAIN 膜层，可以将膜层与基体结合部分形成三种元素相互结合的冶金结合，有效增强基材各类性能。

2、钛及钛合金表面增强技术发展趋势

2.1 集成计算材料工程的新思路

作为当前材料研究主要方向，集成计算材料工程可以重构材料基因组，将庞大计划材料科学计算工具整个为一个具备多种功能的系统，对于材料学快速研发具有重要意义。通过材料改造工程设计，将原本材料设计与制造两个环节有机整合，降低材料研发试错成本，提高研发效率，对于从微观与宏观角度研究材料提供新角度，也提供在例如超高温低温等极端环境条件下，研究材料各项数值变化渠道。

由于钛合金表面增强技术涉及到材料表面成分设计，构建微结构特殊物理化学特性，引入集成计算材料工程，可以有效降低钛合金实际应用研究成本，拓宽钛合金材料应用广度。借助 Ni 合金热力学数据库提供的数据信息，可以完整对钛合金表面激光熔覆镍基合金的热力学相变过程进行系统化研究，使用有限元模拟钛合金工作环境温度场，从而有效分析在使用激光熔覆方式构建 TiC-NiCrBSi 覆层，其应用性能效果 [4]。而且，借助 thermo-cale 软件进行相变动力学计算，可以详细追踪、记录钛合金热力学相图，对于Ni.Ti.C等原子在实验条件下化合构成NiB与TiC进行检验，比较激光熔覆工作效率与质量。我国先进钛合金航空科技重点实验室对钛合金特性进行反复实验，成功摸索对钛合金表面增强最佳激光熔覆功率，即速度保持在 4 mm/s，作用范围维持在 4.5mm，功率可达 2.5kW。

目前使用集成计算材料工程研究钛合金表面增强技术，整合热力学与数值模拟方式，对材料基体涂层形成进行研究，同时分析应力场、温度场对涂层影响情况。借助热力学和动力学基础数据库，对钛合金表面的热力学组织形成效果进行预测，并严格掌控材料表面相变过程，使用定向设计方法增强钛合金表面效果，对于钛合金表面增强技术更新迭代具有重要意义。而且，在严格约束材料在处理前后的各项条件下，工艺参数采用可视化方法，可以更好掌握材料基体性能变化，推动钛合金表面工程以低成本、高效进行技术研发。

2.2 膜层设计的新方法

伴随工业快速发展，涂层技术的理论研究与实践应用也逐渐被热门挖掘，同时也对钛金属表面增强技术提出更高要求，例如在要求钛金属表面具有较强耐磨性能时，同样具备较高导电、导热能力，拥有耐腐蚀效果的同时，也要有较好抗冲击能力等。在工业具体需求逐渐拓展到各个领域，提升钛金属表面性能成为当前技术要求，也同样要求膜层组织结构具有更强表现性能。在这种背景条件下，膜层设计逐渐成为工业研究重点项目内容。针对不同需求，需要设计具备不同功能的磨蹭，以及材料相应结构设计。对膜层调幅周期进行有效调整，对于提升膜层性能具有重要帮助，例如借助物理、化学气相沉积，可以提供纳米级到微米级的膜层调幅周期。当前应用较为广泛的功能梯度膜层，让材料基体到膜层实现无缝性能渐变，有效避免材料基体与膜层因物理性质不契合，导致材料基体表面膜层失效问题 [5]。利用纳米结构设计技术，将其与多层复合膜整个，有效提升钛合金表面增强技术应用效果。利用 DLC 具有较高硬度，对于摩擦力较小性能较为突出，也诞生 DLC 功能梯度结构设计概念，现在已经有小批量生产的 DLC/TiC/TiNTi 功能梯度膜，不仅在化学方面具有较强抗性，功能也相较以前有较大进步，可以在基体与膜层之间构建过渡粘结层，进而使两个相互扩散，对于 两者有机结合具有重要意义。

2.3 多技术复合的新工艺

当前工业生产钛合金表面处理技术以电镀、微弧氧化等技术为主，但是这些技术如果单独使用，膜层质量无法完全保障，也存在一些例如能源消耗过度，生产效率较低等问题[6]。

例如电镀的钛合金表面处理就存在膜层结合力差问题，而且工艺技术使用的镀液也会造成环境污染。在这种现实条件下，整合两者或两者以上技术，在促进膜层质量提升的条件下，也可以规避因使用单一技术而造成环境污染，或经济效益低下等问题。对材料基体表面进行喷砂处理，并使用超音速火焰喷涂 Co-WC 涂层的综合处理方式，并对 TC18 钛合金表面疲劳规律进行跟踪研究，可以发现在超音速火焰喷涂 Co-WC 涂层技术的高温作用下，可以有效降低 TC18 钛合金表面在喷砂处理进行的机械处理残留压应力，有效提升钛合金抗疲劳性能。而在医疗行业的钛及钛合金表面增强技术，利用氧化、镀碳、类金刚石薄膜的综合性技术，可以让其钛合金表面形成与材料基体具有较强结合力的薄膜，提高材料基体的耐磨性能，提升抗腐蚀能力。利用热喷涂与激光熔覆整合技术，可以在铜合金表面制成 NiCrFeWBC 自熔性合金涂层，可以让涂层与材料基体结合效果有效提升，涂层耐磨性要远高于常规使用热喷涂方法制成的合金表面涂层。

3、结论

虽然目前在钛及钛合金的表面增强技术方面，有着喜人的进步，而且钛的实际应用与理论研究也在逐渐成为工业发展重要组成成分，但是仍不能以当前成果为终点，而是应当继续深入材料层面，使用重构组织成分方法提升钛合金性能，从源头上解决钛合金高效率的问题，加快我国在分子重组方面的研究能力，从而带动我国工业健康发展，为实现我国经济转型奠定技术基础。

参考文献：

[1]孙静 ,齐元甲 ,刘辉 ,等 .海洋环境下钛及钛合金的腐蚀磨损研究进展[J].材料保护 ,2020,53;492(01):156-161.

[2]周红霞，李成新，李长久 . 冷喷涂制备钛及钛合金涂层研究进展 [J]. 中国表面工程 ,2020,33;161(02):7-20.

[3]王 易 山 . 钛 及 钛 合 金 熔 炼 技 术 发 展 现 状 [J]. 世 界 有 色 金属 ,2020,545(5):23+25.

[4]顾俊，刘钊鹏，徐友钧，等 . 钛合金及其激光加工技术在航空制造中的应用 [J].应用激光 ,2020,40(03):175-183.

[5]王鹏成 ,潘永智 ,李红霞 ,等 .离子注入对钛合金表面摩擦磨损性能的研究进展 [J].工具技术 ,2020,54;567(11):6-10.

[6]郭晋昌 ,石玗 ,耿培彪 ,等 .激光维持等离子体钛合金表面渗氮研究进展 [J].材料导报 ,2020,34(05):113-118.