钛及钛合金的表面处理摘要：本文对钛及钛合金的表面处理的方法进行了综述，随着钛合金在航天航空、舰船、石油、化工以及其他行业的不断应用，世界各国尤其是发达国家和发展中国家的研究工作者为克服钛合金的缺点正做着各种尝试和努力，钛合金的表面处理方法也取得了长足的进展。

关键词：钛及钛合金表面处理研究方法1 引言钛及钛合金具有低密度、良好的耐腐蚀能力、高比强度以及令人满意的生物相容性，在航空航天、化工、生物医学等领域得到广泛的应用，并为社会带来巨大的经济效益。

然而，钛及钛合金表面硬度低，在滑动摩擦条件下摩擦力学性能差，特别是抗摩擦和磨损性能较差的钛合金，严重地限制了其应用范围。

为了有效地利用钛合金的优良性能，对其进行表面处理，是一种改善钛合金缺陷使其最大限度地发挥其优势的重要措施之一。

2 表面处理方法2.1 电镀在钛合金表面主要有镀镍、镀硬铬、镀银等，镀银目的是提高钛合金的导电性和钎焊性。

电镀前必须对钛合金表面进行预处理，膜层与基体的结合力差是钛及钛合金表面进行电化学处理的主要问题，要想在钛及钛合金上得到满意和合格的表面膜层，镀覆预处理是非常重要的步骤，而预处理的关键是“活化成膜”处理，若选择适宜的预处理方法，既能简化工艺，又能保证和提高镀覆层与基体的结合强度[1]。

2.2 交流微弧氧化微弧氧化(MAO)是一项在金属表面生长氧化物陶瓷膜的新技术。

它从阳极氧化发展而来．但它施加了几百伏的高压，突破了阳极氧化对电压的限制。

该技术通过微弧放电区瞬间高温高压烧结直接把基体金属变成氧化物陶瓷，并获得较厚的氧化物膜。

对钛合金表面微弧氧化，获得膜的硬度高并与金属基体结合良好。

改善了钛合金表面的抗磨损、抗腐蚀、耐热冲击及绝缘等性能，在许多领域具有很好的应用前景[2]。

2.3 表面氧化处理一般钛和钛合金较之常用的生物体用合金Co、Cr合金和316L不锈钢的耐磨性都较差，而且所产生的磨损粉在生物体内都有可能产生不良影响。

因此，新开发的一些生物体用钛合金在生物体内使用之前往往都要采取适当的表面处理，以提高其抗磨性。

为此，日本丰桥技术科学大学和大同特殊钢公司研究了一种新开发的生物体用B型钛合金(简称TNTZ合金)，采取表面氧化处理提高其表面耐磨性[3]。

2.4 离子注入离子注入与其它表面处理技术相比显示了诸多优点，与物理或化学气相沉积相比，主要优点在：①膜与基体结合好，抗机械、化学作用不剥落能力强；②注入过程不要求升高基体温度，从而可保持工件几何精度；③工艺重复性好等。

许多研究者报道了氨离子注入对合金表面成分、组织结构、硬度及摩擦学性能有良好改善效果。

TiC也是超硬相，故钛合金经离子注入碳也同样可以强化钛合金表面。

但是由于等离子体基离子注入并非连续过程，施加每一负脉冲电位时，随着脉冲电位由零下降至谷值，再回升至零，发生着溅射和注入两个过程。

如果等离子体中含有金属或碳离子时，在脉冲电位为零时，在一定条件下还会在表面形成单一碳沉积层，在一定脉冲电压(10～30kV)作用下，该单一碳层的结构为类金刚石碳(DLC)。

从而可以获得比注氮层摩擦系数更低，耐磨性更好的表面改性层。

表面单一碳层经实验确定其为DLC膜。

经这样处理的钛合金，表面硬度提高4倍，在同种材料构成摩擦条件下，摩擦系数由0.4下降至0.1，耐磨性较未离子注入的提高30倍以上[4]。

2.5 离子轰击钛合金经氮离子轰击表面处理后，表面可获得由TiN和Ti2N组成的改性层，硬度为600～800HV；表面硬度的提高，有利于改善钛合金的耐磨性[4]。

2.6 等离子渗氮与喷丸处理利用直流脉冲等离子电源装置对钛合金表面渗氮处理，采用喷丸形变强化(SP)对渗氮层进行后处理，在钛合金表面获得由TiN、Ti2N、Ti2AlN等相组成的渗氮层，该改性层能够显著地提高钛合金常规磨损和微动磨损(FW)抗力，但降低了基材的FF抗力。

渗氮层的减摩和抗磨性能与SP引入的表面残余压应力协同作用，使钛合金FF、抗力超过了SP单独作用。

提高渗氮层韧度对改善钛合金FF和FW 性能均十分重要[4]。

2.7 钛及钛合金表面电泳涂装电泳涂装是一种极为复杂的电化学反应过程，其中至少包括电泳、电沉积、电渗、电解4个过程，是一种利用外加电场使悬浮于电泳液中的树脂和颜料等微粒定向迁移并沉积于电极表面的涂装方法。

电泳涂装作为涂装工艺，不仅在金属表面处理的防蚀、装饰方面得到广泛应用，而且在功能性涂装方面以其固有的特点对高新技术产品的制造与发展也发挥着重要作用。

另外，在环境保护方面，电泳涂装表面处理技术可取代一部分电镀加工和一部分污染较大的涂装加工，对提高资源可循环利用等可持续发展战略的实施将起着积极有益的作用。

电泳涂装在实际应用中具有高效、低能耗、优质、安全、经济等优点，随着新型电泳涂料的开发和涂装技术的进步，电泳涂装工艺迅速得到了普及和发展。

目前，电泳涂装已广泛应用于汽车、建材、自行车、装饰材料、日用五金和装饰品等行业，但在钛合金上的应用还比较少，应用的时间也比较短，从表面处理的发展来看，电泳涂装在该领域也将会有着较大的应用潜力[5]。

2.8 涂层技术涂层技术是改善钛合金抗氧化性的有效方法。

美国一家公司研究出一种改善钛合金抗氧化性能的新方法，在钛合金基体上加一种均匀的铜合金涂层。

涂层所用的铜台金可从以下三种组成中选取一种：1．铜+7％铝；2．铜+4.5％铝；3．铜十5.5％铝+3％硅。

涂层是在基体温度低于619℃的条件下进行涂覆的。

也可以进行多层涂层处理。

多层涂层亦是提高钛及钛合金表面性能的有效途径之一，这种方法可以改善韧性、提高耐腐蚀性、提高抗开裂性和细化晶粒等。

一般说来每层的厚度都在纳米数量级，不同成分交替沉积的纳米层结构并定义其为超晶格。

他认为超晶格增强硬度和强度的机理是：两层材料剪切模量之差是阻碍位错穿过层界运动的壁垒；当层厚小于临界厚度时位错不能在层内运动；而位错穿过层界运动的能量则随着层厚的增大而增大；当厚度小于并接近临界厚度范围时硬度达到最大值。

在钛合金的表面处理中可以在钛金属表面预先镀上一层韧性较好的TiN，将它作为间隔层，然后将TiC等镀在TiN层上组成多层结构。

由此得到的多层镀层可以极大改善镀层的韧性、耐腐蚀性和耐磨性。

TiN/CrN的抗氧化性能既高于单层TiN，又高于单层CrN。

亦可以对基体钛作预先的渗氮、渗碳或者离子注入处理提高基体的硬度，然后利用CAD、PVD 或离子镀等方法在处理过的基体上沉积硬质涂层。

多组元涂层、多层涂层以及多组元和多层涂层的结合正在成为钛合金表面处理研究的新方向。

通过对组元元素的选择以及多涂层的设计可以得到质量高、性能好的复合表面涂层[6]。

钛合金表面化学镀镍—磷层,钛及其合金的耐磨性能差，表面易擦伤，在较高的表面压力及发生某些不可避免的相对移动时，相互之间发生粘着，产生微振磨损，使疲劳性能降低，它们的导电、导热性能差，可焊性不良等，极大地限制了钛及钛合金的进一步扩大应用和开发。

钛基施镀，不仅能弥补钛及其合金的上述表面缺陷，还能够赋予钛基表面特殊的物理性能，以满足实际功能应用的需要。

美、前苏联、德、英、日等国从50年代就开始了钛基施镀研究。

钛合金施镀的主要困难在于镀层与基体结合力差，因为钛金属活性大，在含氧介质中很快被氧化，在表面形成一层氧化膜．由于这层氧化膜的存在，阻碍了镀层与基体的紧密结合，故得不到结合力良好的镀层[7]。

2.9 激光表面处理激光淬火：据报道钛合金TCll微动磨损量随法向载荷和微动幅度的增大而增加。

激光淬火后钛合金TCll抗微动磨损能力有所提高，其提高幅度与微动幅度大小，抗微动磨损能力的改善是激光淬火使组织细化、硬度提高的结果。

激光熔覆技术是一项新兴的零件加工表面改性技术，其表面处理上的应用可以极大地提高零件表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀等机械性能以及材料的使用寿命。

航空发动机钛合金镍基合金摩擦副的接触磨损是航空发动机使用中的～大难题，利用激光熔覆技术可获得优良的涂层，为燃气涡轮发动机零件的修复开创了一条新途径，熔覆合金粉末是CoCrW和WC的机械混合物，提高了高温耐磨和抗腐蚀性能，技术特点是制备时间短，质量稳定，并消除了由于热影响可能产生的裂纹问题[8-9]。

2.10 表面纳米化技术表面纳米化技术是利用各种物理或化学方法将材料的表层晶粒细化至纳米量级，制备出具有纳米晶结构的表层，而基体仍保持原有的粗晶状态以提高材料的表面性能如：疲劳强度、抗蚀性等。

对钛合金采用喷射纳米沉积法可得到纳米单金属层、纳米合金层和纳米复合镀层。

目前对纳米化的研究主要集中在体心立方和面心立方结构的金属，而密排立方结构的金属尚未涉及。

利用喷射电沉积法对材料表面进行了纳米化处理，在合金表面获得纳米结构组织，并在高温下进行了耐蚀性研究。

结果显示：经纳米化处理后钛合金的耐蚀性显著提高。

张聪慧等采用高能喷丸法对钛合金表面纳米化处理。

结果表明：材料表面平均晶粒尺寸达到了纳米量级，晶粒大小随着纳米化表面厚度的增加而逐渐增大，硬度增加程度也越来越小，随处理时间延长表面硬度显示增加的趋势[10]。

2.11 气相沉积在钛合金表面沉积TiC、TiN、TiCN、TiB2、ZrB2、DLC等膜层，可提高基体耐磨性。

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。

用自行研制的反应电火花沉积系统，在钛合金基体上原位生成了Ti(CN)金属基陶瓷复合涂层，该涂层主要由TiC0.51N0.12所组成，与基体结合良好，无孔隙、微裂纹。

也可以采用等离子辅助化学气相沉积(PVACD)在钛合金表面获得类金刚石膜层。

磨损试验表明在干摩擦情况下体积损失由0.467下降到0.0023，耐磨性得到显著提高。

将离子束增强沉积(IBED)技术与离子束溅射沉积技术相结合，在钛合金表面制备了MoS2、MoS2-Ti复合膜，该膜层较纯溅射膜结合强度高，致密性好，复合膜中允。