航(hang)空航天(tian)技术(shu)是(shi)高(gao)度(du)综(zong)合(he)的现(xian)代(dai)科(ke)学(xue)技(ji)术，也是(shi)国(guo)家(jia)最(zui)高(gao)工(gong)业水(shui)平 的体(ti)现之一。航(hang)空(kong)航(hang)天器(qi)在运行(xing)过 程(cheng)中(zhong)需(xu)克(ke)服(fu)重(zhong)力，且(qie)在高温(wen)、高(gao)速等(deng) 复(fu)杂环境中(zhong)服(fu)役，因(yin)此，该领域部(bu)件(jian)的轻(qing)质化要(yao)求(qiu)非常高。钛(tai)合(he)金(jin)具(ju)有 高(gao)比(bi)强度(du)、低密度的(de)优点，可(ke)在室(shi)温到中(zhong)高温(wen)环境(jing)服役，是航空(kong)航天(tian)零件(jian)应(ying)用(yong)的重(zhong)要材料[1–2]。飞机(ji)/直(zhi)升(sheng)机 的各类框、梁、机(ji)翼壁板、桨(jiang)毂等[3]， 现役(yi)航(hang)空发动(dong)机(ji)的(de)风扇(shan)/压气机转(zhuan) 定(ding)子(zi)、压(ya)气机机匣(xia)、中介机匣(xia)等(deng)[4–5]， 航(hang)天用容(rong)器[6]、承(cheng)力(li)结构、紧固件[7] 等(deng)采(cai)用钛(tai)合金材料制(zhi)造，可谓应(ying)用广泛。与(yu)此同时(shi)，相(xiang)比结(jie)构(gou)钢或镍基高(gao) 温合金(jin)，钛合金(jin)也存(cun)在(zai)硬(ying)度(du)低(di)、耐磨 性差(cha)、高(gao)温氧(yang)化抗(kang)力(li)差等(deng)问(wen)题(ti)，表(biao)面 应力(li)集中敏(min)感导致(zhi)的机械(xie)疲(pi)劳(lao)问(wen)题 （后(hou)简称疲劳）也较(jiao)突(tu)出。综(zong)合(he)来说， 航空航(hang)天(tian)领(ling)域(yu)的钛合(he)金(jin)零(ling)件(jian)长寿命 高(gao)可靠(kao)服役(yi)需(xu)要克服3大问(wen)题—— 磨(mo)损(sun)、腐蚀(shi)和(he)疲(pi)劳。
3大问题(ti)均为(wei)表面工(gong)程问(wen)题(ti)。 为(wei)此，基于钛(tai)合金(jin)材(cai)料(liao)，国内(nei)外(wai)学术 与(yu)工(gong)业领(ling)域(yu)开展(zhan)了(le)大(da)量(liang)表(biao)面工(gong)程技 术的基础(chu)和应(ying)用(yong)研究，目(mu)的是(shi)提高(gao)钛 合金材(cai)料及零件的耐(nai)磨性(xing)、抗(kang)氧(yang)化性(xing) 和(he)疲劳(lao)抗力，最终(zhong)实现(xian)涂(tu)层在钛(tai)合(he)金(jin)零(ling)件(jian)的(de)可(ke)靠(kao)应用(yong)。以下将分(fen)节(jie)对(dui)3大(da)类航空航(hang)天钛合(he)金表面工(gong)程技(ji)术(shu) 研(yan)究进(jin)展进行(xing)逐(zhu)一探讨。实际上，钛(tai)合(he)金还具备良(liang)好的(de)生(sheng)物相(xiang)容性，被应(ying) 用于医(yi)学植入物，这(zhe)方(fang)面(mian)表面(mian)工程(cheng)技(ji) 术研究(jiu)不(bu)在(zai)本研(yan)究讨(tao)论之(zhi)列(lie)。特(te)殊(shu)地(di)， 航(hang)空(kong)发(fa)动机(ji)钛(tai)合金(jin)叶(ye)片/机匣(xia)定(ding)转(zhuan)子 摩(mo)擦部(bu)位(wei)还可(ke)能涂(tu)覆封(feng)严(yan)涂(tu)层，以(yi)保 证气(qi)流(liu)密(mi)闭(bi)性(xing)提高(gao)气(qi)动效(xiao)率，这是发动机(ji)单一部位(wei)的使(shi)用需求，本研(yan)究不(bu) 专(zhuan)门(men)论(lun)述。
1、钛合金(jin)耐磨(mo)损(sun)涂层(ceng)
钛合金(jin)硬(ying)度低(di)、耐磨(mo)性(xing)较(jiao)差(cha)是(shi) 工(gong)业(ye)界共(gong)识(shi)，然(ran)而，为轻(qing)量(liang)化和耐(nai) 室(shi)温(wen)腐蚀的需(xu)求(qiu)，钛合金零件(jian)较(jiao)多 地应(ying)用(yong)于(yu)可(ke)能发(fa)生摩(mo)擦磨(mo)损的环境下(xia)，比(bi)较(jiao)典(dian)型(xing)的应(ying)用(yong)为钛合金(jin)起(qi)落(luo) 架活塞杆[8]。工(gong)业界(jie)采用(yong)各(ge)种(zhong)手(shou)段(duan) 将(jiang)硬(ying)质涂(tu)层镀(du)覆(fu)在钛合金表面(mian)，形(xing)成“硬(ying)壳软(ruan)芯”结构(gou)，同时满(man)足耐磨 和(he)受(shou)载(zai)的(de)需(xu)求(qiu)。
1.1沉积、喷涂涂(tu)层(ceng)
采(cai)用物(wu)理(li)方(fang)法(fa)在较(jiao)软的钛合(he)金 表(biao)面(mian)制(zhi)备(bei)硬质(zhi)涂层，是国(guo)内外工(gong)程(cheng)界(jie) 公(gong)认(ren)的(de)耐磨(mo)方(fang)法。Hong等[9]利(li)用 电(dian)火花沉(chen)积(ji)技术(shu)在(zai)钛(tai)合(he)金(jin)TC11表 面(mian)镀覆TiN涂(tu)层，通过厚(hou)度、TiN含量和空(kong)隙率(lv)等(deng)分析(xi)了(le)工艺参数对(dui)涂(tu) 层微观结(jie)构和(he)耐(nai)磨(mo)性(xing)的(de)影(ying)响，获得(de)了 优化沉(chen)积(ji)工(gong)艺和(he)涂层(ceng)磨(mo)损失(shi)效(xiao)机(ji)制(zhi)。 在(zai)TC4基(ji)体表(biao)面(mian)，曹(cao)鑫(xin)等(deng)[10]采(cai)用物(wu) 理(li)气(qi)相(xiang)沉(chen)积(ji)的方法制备了(le)TiN/Ti梯(ti) 度(du)涂(tu)层(ceng)，分(fen)析了(le)梯度涂(tu)层(ceng)结构(gou)在(zai)沙(sha)尘(chen) 冲(chong)蚀损伤的(de)影(ying)响，发(fa)现(xian)TiN∶Ti=1∶3 时(shi)，实现(xian)强(qiang)韧性匹配，耐(nai)冲(chong)蚀(shi)性(xing)能最(zui) 佳(jia)。Richard等(deng)[11]利(li)用热(re)喷(pen)涂法(fa)在钛 合金表面制(zhi)备ZrO2–Al2O3–TiO2纳(na)米(mi) 陶(tao)瓷涂(tu)层，该(gai)涂(tu)层相(xiang)比单(dan)一(yi)ZrO2涂层 具(ju)有更(geng)佳的(de)摩擦(ca)系数(shu)、耐(nai)磨(mo)性(xing)和耐蚀(shi) 性(xing)。在VT6钛(tai)合(he)金(jin)表面(mian)，Koshuro等[12] 采(cai)用(yong)等离(li)子喷(pen)涂氧(yang)化铝(lv)结合后续微(wei) 弧氧(yang)化(hua)方法(fa)制备(bei)金属氧(yang)化(hua)物涂(tu)层(ceng)，硬 度提(ti)高到1640HV。Liu等(deng)[13]利用 爆(bao)炸喷(pen)涂(tu)方(fang)法在(zai)Ti–Al–Zr合金表(biao)面(mian) 制(zhi)备(bei)了HV1800（压头载荷5g）WC– Co涂(tu)层(ceng)，在25~400℃的较宽(kuan)温域提 高了微动疲劳性能(neng)。Pawlak等[14] 利用(yong)反应电(dian)弧(hu)沉(chen)积制(zhi)备(bei)Ti–C–N底(di) 层后(hou)利(li)用磁(ci)控溅射制备(bei)WC–C面(mian)层， 使(shi)得TC4钛(tai)合金(jin)耐(nai)磨性(xing)提高(gao)94%。 王(wang)俊(jun)等[15]采(cai)用等(deng)离子(zi)喷涂(tu)在(zai)钛合金 表(biao)面制备(bei)氧(yang)化(hua)物涂层(ceng)，接着采用激光(guang) 熔(rong)覆方(fang)法(fa)提高了氧(yang)化物涂(tu)层(ceng)硬度(du)。 部(bu)分涂层结(jie)构如图1所示(shi)[9，11，14]。
1.2激(ji)光(guang)熔覆(fu)涂层(ceng)
预(yu)涂粉(fen)末(mo)混(hun)合干(gan)燥后进行(xing)激光(guang) 熔(rong)覆(fu)的(de)方法在(zai)钛(tai)合(he)金表(biao)面产(chan)生硬质 耐磨涂层，同样(yang)是(shi)国内(nei)外(wai)研(yan)究(jiu)的热 点。Mohazzab[16]和Wu[17]等(deng)采(cai)用激 光(guang)表(biao)面处(chu)理(li)方法在纯钛(tai)或钛合(he)金(jin)表(biao) 面(mian)制(zhi)备(bei)了(le)TiC和Ti–Si硬(ying)质(zhi)层，硬(ying)度(du)可 达(da)到(dao)1000HV0.1以(yi)上(shang)，以(yi)提高(gao)硬(ying)度和耐(nai) 磨(mo)性。Wang等[18]在TC4合金(jin)表面制 备(bei)了(le)耐(nai)磨(mo)性能更佳的(de)精(jing)细片(pian)层(ceng)结(jie)构(gou)纯 钛涂层(ceng)，认为激(ji)光熔(rong)覆(fu)过(guo)程的(de)细晶(jing)强(qiang) 化(hua)作(zuo)用(yong)是提高耐磨性的(de)主(zhu)要(yao)原因(yin)。高 霁[19]、Zhao[20]、戈(ge)晓(xiao)岚[21]、蒋(jiang)松林[22]、 李春燕(yan)[23]、林(lin)沛玲[24]、刘(liu)丹[25]和(he)刘 庆(qing)辉[26]等分别(bie)在(zai)钛(tai)合金(jin)表(biao)面制备 CBN、Ti–O–N、Ti–Al–Nb、WC–Co、 Ti–Si–C、Ti–B或(huo)多(duo)元素(su)复合（如掺 Ni）硬质(zhi)耐(nai)磨层(ceng)，以引入更(geng)高的显(xian)微 硬(ying)度和摩(mo)擦磨(mo)损性(xing)能。Ye[27]、任(ren)佳[28] 和相占(zhan)凤[29]等(deng)在(zai)粉(fen)末(mo)中分(fen)别(bie)加(jia)入碳 纳(na)米(mi)管和h–BN（六(liu)方氮化(hua)硼(peng)），在(zai)涂 层(ceng)中(zhong)形成了(le)软(ruan)硬(ying)混合的(de)相(xiang)结(jie)构，起到 了(le)良(liang)好的耐磨(mo)减(jian)磨(mo)性(xing)能。以上研究 中(zhong)，部(bu)分(fen)采(cai)用了脉冲能(neng)量(liang)较(jiao)大的(de)脉(mai)冲(chong) 激(ji)光器(qi)（如Nb–YAG），有的(de)采用了连 续(xu)的光纤(xian)激(ji)光(guang)器。该类(lei)涂(tu)层(ceng)的共(gong)同 特(te)点(dian)是具(ju)有熔覆(fu)区–结合区(qu)–热影(ying) 响区–基(ji)体(ti)等(deng)多层过(guo)渡结(jie)构(gou)。为(wei)分(fen) 析涂层(ceng)种(zhong)类带来的表面硬(ying)度梯(ti)度差(cha) 别(bie)，将部分(fen)文献报(bao)道的涂层(ceng)特性列入 表1[17–19，21–24，27–28，30]。
1.3渗(shen)层(ceng)与镀(du)层(ceng)
沈志超(chao)等(deng)[31]采(cai)用(yong)无(wu)氰(qing)镀(du)铜(tong)方法(fa)使钛合金TC4表(biao)面(mian)摩擦系(xi)数由0.52 降低到(dao)0.38。田(tian)晓东等[32]利用辉(hui) 光离(li)子渗在TC4钛合金表(biao)面形(xing)成(cheng) MoS2–Mo渗层(ceng)，表层减磨(mo)，次(ci)表层硬(ying) 化(hua)，形成(cheng)硬度(du)梯(ti)度(du)结构。Zhao等(deng)[33] 在(zai)激光选区熔(rong)化(hua)制造(zao)的(de)钛(tai)合(he)金零件(jian) 表(biao)面(mian)进(jin)行(xing)气(qi)体(ti)渗(shen)氮(dan)，使(shi)其(qi)纳米(mi)硬度(du)从 5.2GPa提(ti)高(gao)到13.3GPa，并降(jiang)低了(le)摩 擦系数(shu)。此(ci)外，有(you)些(xie)研究(jiu)采用复(fu)合(he) 处(chu)理来(lai)提(ti)高(gao)钛合金(jin)耐微(wei)动(dong)磨损(sun)性(xing)能(neng)。 李瑞冬(dong)等[34]认(ren)为喷(pen)丸(wan)+CuNiIn涂层 可以(yi)改(gai)善微(wei)动(dong)磨损性(xing)能(neng)。刘道(dao)新等[35] 采(cai)用离(li)子渗(shen)氮(dan)后喷丸(wan)的(de)方法(fa)，更好地 提高(gao)了(le)TC4合(he)金抗(kang)微动磨损和(he)疲劳(lao) 性能。
1.4钛合(he)金(jin)耐磨损涂层(ceng)技术展(zhan)望
从(cong)以上文献分(fen)析(xi)，耐磨(mo)涂层(ceng)的(de)发(fa) 展存(cun)在以下(xia)几(ji)个趋势：（1）多(duo)元、多 工艺复(fu)合处(chu)理(li)，利用(yong)制备(bei)工艺特(te)点， 制(zhi)造(zao)多(duo)元(yuan)或(huo)多(duo)层(ceng)复合(he)结构，在(zai)保障涂(tu) 层(ceng)硬(ying)度(du)的同(tong)时(shi)，增(zeng)加(jia)韧性，实现强(qiang)韧(ren) 化匹(pi)配；（2）加强涂(tu)层(ceng)力(li)学性能设(she) 计，通过计算仿(fang)真(zhen)手(shou)段(duan)，获得(de)外(wai)载下(xia) 内(nei)应(ying)力低(di)、结合(he)力好(hao)且(qie)结构可(ke)靠的(de)耐 磨(mo)涂层(ceng)体(ti)系(xi)。另(ling)外，工(gong)业界(jie)应(ying)在(zai)保(bao)障(zhang) 涂层(ceng)结构分(fen)析(xi)的(de)基础上，加强涂(tu)层的 模(mo)拟(ni)服役性(xing)能试验(yan)，在实(shi)践中获得(de)真(zhen) 知(zhi)，加快研究(jiu)结(jie)果(guo)应用(yong)。
2、钛合(he)金抗(kang)氧化(hua)和(he)阻燃(ran)涂层
在(zai)室温下，钛(tai)合金表(biao)面可以(yi)形成(cheng) 致(zhi)密的(de)氧(yang)化膜(mo)，故(gu)具(ju)有良好的室(shi)温(wen)耐(nai) 腐蚀(shi)性(xing)能(neng)。部分(fen)航空(kong)航天器(qi)使(shi)用(yong)的钛(tai)合(he)金零件需要在(zai)中温(wen)甚至高(gao)温下(xia) 使(shi)用(yong)，而(er)该条(tiao)件(jian)下(xia)形成的氧(yang)化(hua)膜是多 孔(kong)的TiO2，无法有效(xiao)抵御(yu)氧原子向 内扩(kuo)散(san)。另(ling)一方面，钛(tai)合金(jin)的(de)燃点(dian)低 于熔(rong)点(dian)。当航(hang)空发(fa)动(dong)机(ji)高(gao)速(su)运动的(de) 钛合金零件(jian)因(yin)某些原因(yin)（如(ru)变形(xing)、断 裂等(deng)）发生(sheng)位移(yi)时，部件(jian)间相(xiang)对(dui)运(yun)动 （如(ru)转定子）高速摩(mo)擦生(sheng)热(re)可(ke)能点(dian)燃(ran) 钛合金而发生钛火事(shi)故，严(yan)重危(wei)及(ji)航 空航天器(qi)安(an)全使(shi)用。因(yin)此(ci)，国(guo)内外(wai)积 极开(kai)展(zhan)了钛合金抗氧(yang)化涂层(ceng)和(he)阻燃(ran) 涂层的(de)研(yan)制(zhi)。通过(guo)两类(lei)涂层改变钛(tai) 合(he)金表面氧(yang)化(hua)和温升(sheng)机制是(shi)一个可 靠(kao)方(fang)法。
2.1抗(kang)氧化涂层
Du等[36]首先制备微(wei)弧氧(yang)化(hua) TiO2膜，接(jie)着(zhe)采(cai)用磁(ci)控溅(jian)射方法在(zai)膜(mo) 表(biao)面(mian)镀覆(fu)纯(chun)铝(lv)，最终利(li)用(yong)阶(jie)梯式扩(kuo)散 热(re)处理提高(gao)了(le)上(shang)述两(liang)层(ceng)的冶(ye)金结合； 该方(fang)法(fa)制(zhi)备的复(fu)合(he)涂(tu)层(ceng)（主要成分(fen)α– Al2O3）具有(you)良(liang)好的阻氧扩(kuo)散能(neng)力(li)， 在973~1073K条件(jian)下(xia)显(xian)著降(jiang)低了钛(tai) 合(he)金的(de)氧化(hua)增(zeng)重(zhong)。Maliutina等(deng)[37]采 用激(ji)光(guang)熔(rong)覆方式(shi)在(zai)TiAl合(he)金表(biao)面制 备Ti48Al2Cr2Nb涂(tu)层(ceng)，在(zai)700~900℃ 氧(yang)化过(guo)程中，其(qi)中(zhong)Nb和(he)Cr抑(yi)制了 TiO2的生长(zhang)，涂层表(biao)面(mian)形(xing)成(cheng)以Al2O3 为(wei)主(zhu)的(de)多层(ceng)氧化膜。在工(gong)业纯(chun)钛(tai)表(biao) 面(mian)，Shugurov等[38]采(cai)用(yong)直(zhi)流(liu)磁(ci)控溅(jian)射(she)制备了(le)Ti1–x–yAlxTayN涂(tu)层，该(gai)涂层 提高(gao)了(le)850℃氧(yang)化抗力，但(dan)无(wu)法提高(gao) 950℃氧(yang)化性能，随着(zhe)Ta元素含(han)量增 加(jia)，950℃氧(yang)化性能逐渐变差。Yin[39] 的(de)研究(jiu)表(biao)明，LaB6的(de)适度(du)添(tian)加可以(yi)细(xi) 化激(ji)光(guang)熔覆(fu)TiC+TiBx涂(tu)层，提高氧(yang) 化性(xing)能。Yu等(deng)[40]研究(jiu)了不同MoO3 含(han)量的(de)玻璃(li)陶(tao)瓷(ci)涂(tu)层(ceng)（硼铝(lv)硅酸(suan)盐(yan)微 晶玻璃）在(zai)850~1050℃温度范(fan)围内(nei) 沉(chen)积在TA2工(gong)业(ye)纯钛上(shang)的抗(kang)氧化行(xing) 为(wei)，认(ren)为(wei)富Mo层(ceng)起到良好抗(kang)氧(yang)化(hua)效 果(guo)。Zhang[41]、汝强(qiang)[42]和(he)陈(chen)倩(qian)[43]等(deng)采 用电(dian)弧(hu)镀(du)或(huo)离子(zi)镀方(fang)法在钛合(he)金表(biao) 面制(zhi)备含(han)铝涂层，单晓(xiao)浩(hao)等[44]采(cai)用(yong) 激光(guang)熔覆(fu)制备(bei)Nb–Al–Ti涂(tu)层(ceng)，利用 Al2O3良好的阻(zu)氧(yang)扩(kuo)散能(neng)力提(ti)高(gao)钛(tai)合 金(jin)氧(yang)化(hua)抗力(li)。除(chu)了以上的涂(tu)层(ceng)技术(shu) 外，表(biao)面(mian)改(gai)性(xing)方法也应用于钛(tai)合金(jin)抗(kang) 氧化(hua)。Kanjer等(deng)[45]在(zai)纯(chun)钛表(biao)面(mian)采(cai)用(yong) WC珠、Al2O3珠(zhu)和玻(bo)璃珠(zhu)进(jin)行(xing)超声(sheng) 喷(pen)丸，降(jiang)低(di)了700℃/100h和(he)3000h的 氧化(hua)增重，认为喷(pen)丸(wan)样(yang)品(pin)形成(cheng)的(de)连(lian)续(xu) 富氮层(ceng)起(qi)到了阻氧(yang)扩散避免(mian)剥(bo)落(luo)分(fen) 层的作(zuo)用；He等[46]利(li)用激光喷(pen)丸(wan)在 Ti2AlNb表(biao)面(mian)产生细(xi)晶层和高位错(cuo)密 度(du)，提高(gao)了(le)720℃氧(yang)化性能。部分涂 层(ceng)结(jie)构如(ru)图(tu)2所示[36–38]。
2.2阻燃(ran)涂层
针(zhen)对(dui)钛火问(wen)题(ti)，Anderson等(deng)[47]提出(chu)物(wu)理气(qi)相沉(chen)积(ji)Pt/Cu/Ni复(fu)合(he)涂层(ceng)， 王(wang)长(zhang)亮等[48]采(cai)用(yong)热(re)喷涂(tu)铝(lv)涂(tu)层(ceng)，利用(yong) 涂层(ceng)元素良(liang)好的(de)导(dao)热性(xing)避免(mian)钛合(he)金(jin)零 件(jian)局部温升。Freling[49]和Kosing[50]等(deng) 提(ti)出采用(yong)ZrO2涂层用(yong)于(yu)阻(zu)燃，则(ze)利(li) 用(yong)了ZrO2较(jiao)低(di)的(de)热导(dao)率。Li等(deng)[51] 采(cai)用Ti–Cr和Ti–Cu等多(duo)元(yuan)金属(shu)涂 层，通过(guo)涂(tu)层(ceng)燃(ran)烧(shao)不敏(min)感实现(xian)阻(zu)燃。
近(jin)年来，钛(tai)合金(jin)阻燃(ran)涂层(ceng)的一(yi)个(ge) 研(yan)究热点是(shi)多(duo)层结(jie)构(gou)。弥光宝等[52]提(ti) 出(chu)热(re)喷涂(tu)方(fang)法(fa)制(zhi)备YSZ+NiCrAl-B. e复(fu)合(he)涂(tu)层，实(shi)现(xian)其临界着火氧浓度 提(ti)高至钛(tai)合(he)金(jin)基体(ti)的2.3倍(bei)，YSZ产(chan) 生了(le)良(liang)好的(de)阻(zu)隔(ge)热(re)量(liang)传(chuan)输的(de)作用。 汪(wang)瑞军(jun)[53–54]、曹江[55]和(he)傅(fu)斌(bin)友[56]等 提出微(wei)弧(hu)离(li)子(zi)表(biao)面(mian)改性和(he)热(re)喷(pen)涂(tu)工(gong) 艺(yi)技术在TC11基体(ti)上(shang)制备(bei)复合阻 燃(ran)涂(tu)层(ceng)，分别(bie)利用(yong)Ti–Zr非(fei)晶和YSZ 实(shi)现(xian)吸收(shou)能量(liang)和隔热(re)，部(bu)分涂(tu)层(ceng)结构 如(ru)图3所示(shi)[52，56]。
2.3钛(tai)合金抗(kang)氧(yang)化(hua)和(he)阻燃(ran)涂(tu)层技术展(zhan)望(wang)
从以上(shang)文献(xian)看(kan)，抗氧化(hua)涂层(ceng)的(de)主 要(yao)目(mu)的(de)是阻(zu)氧扩(kuo)散，而(er)阻燃(ran)涂(tu)层在(zai) 阻氧扩(kuo)散(san)的(de)基础(chu)上，还需要实(shi)现(xian)隔(ge)热(re) 和(he)能(neng)量(liang)吸收(shou)。那(na)么(me)，对于上述涂层(ceng)的 发展(zhan)要(yao)求(qiu)一般为：（1）具有良好(hao)结(jie)合(he) 力(li)；（2）具有包覆性(xing)、连(lian)续且具有一(yi) 定(ding)厚度(du)的阻氧扩(kuo)散(san)层(ceng)（如α–Al2O3、TiN等(deng)）；（3）具备(bei)氧(yang)化层(ceng)稳定(ding)成分(fen) （如(ru)富Mo层(ceng)），使得(de)氧化层形(xing)成(cheng)后(hou)能(neng) 够(gou)保持稳(wen)定(ding)，减少(shao)和(he)避(bi)免剥落或分 层(ceng)；（4）在(zai)工艺和(he)成(cheng)分(fen)控(kong)制上(shang)，尽可 能(neng)减小孔洞，避免(mian)氧(yang)原子直接快速(su)进(jin) 入(ru)基体(ti)；（5）向(xiang)多元、多(duo)层(ceng)结构(gou)发展(zhan)， 同(tong)时实(shi)现(xian)吸收(shou)能(neng)量和隔绝(jue)热(re)量(liang)等多(duo) 重(zhong)目(mu)的(de)。
3、钛(tai)合(he)金(jin)抗(kang)疲(pi)劳(lao)表面(mian)改性
在满足航(hang)空(kong)航天器轻(qing)量(liang)化(hua)需求 的(de)同时，钛(tai)合(he)金(jin)零件还需要(yao)满(man)足长(zhang)寿 命与高可靠性(xing)需求，这(zhe)就要(yao)求钛合(he)金 零件具(ju)有(you)良(liang)好(hao)的(de)疲劳(lao)抗力。然(ran)而(er)，钛(tai) 合(he)金是(shi)种典(dian)型(xing)的难加(jia)工(gong)材料，加(jia)工(gong)过(guo) 程刀具可(ke)能(neng)发(fa)生粘着磨损使得表(biao)面(mian) 应(ying)力(li)复杂，加(jia)之(zhi)其导热(re)性(xing)较差导致(zhi)局 部温升(sheng)，因(yin)此(ci)钛(tai)合(he)金零件加(jia)工(gong)后(hou)表面(mian) 完整(zheng)性控(kong)制困(kun)难。工(gong)业(ye)界(jie)大(da)量使(shi)用 抗(kang)疲劳表面改性(xing)（或表面(mian)形(xing)变强化(hua)技(ji) 术(shu)，Surfacemechanicaltreatment）来提 高钛(tai)合金(jin)零(ling)件(jian)表面完(wan)整(zheng)性(xing)状(zhuang)态(tai)，进而(er) 实现长(zhang)寿(shou)命高可靠(kao)性(xing)要(yao)求(qiu)。在抗(kang)疲劳(lao) 表(biao)面改(gai)性(xing)中，机(ji)械喷(pen)丸(wan)（Shotpeening） 和(he)激光冲击(ji)强化(hua)（激光喷丸(wan)）（Laser shockpeeningorLaserpeening）结构 适(shi)应性强(qiang)，被业界广(guang)泛研究。部(bu)分(fen)适(shi) 应特(te)殊结(jie)构(gou)的(de)表面(mian)强(qiang)化工(gong)艺(yi)技术， 如适(shi)应孔(kong)结构的冷(leng)挤(ji)压强化（Cold expansion）和(he)适(shi)应(ying)焊接结(jie)构的超(chao)声喷(pen) 丸强化（Ultrasonicimpacttreatmentor Ultrasonicimpactpeening），也(ye)开展(zhan)了(le) 系列研(yan)究(jiu)。
3.1机械(xie)喷(pen)丸(wan)
机(ji)械喷(pen)丸对(dui)表面(mian)完整(zheng)性(xing)的(de)影(ying)响(xiang) 主(zhu)要(yao)为表(biao)面(mian)形(xing)貌、表层组织(zhi)性(xing)能与残 余应(ying)力(li)。Ma等[57–58]利用离心(xin)式喷(pen) 丸(wan)机(ji)研究(jiu)了(le)Ti1023钛(tai)合金大(da)尺(chi)寸(cun)弹(dan) 丸(wan)喷(pen)丸(wan)后的(de)梯度组织(zhi)。Unal等(deng)[59]对 纯钛进(jin)行(xing)高能(neng)喷(pen)丸，分(fen)析(xi)了具(ju)有更高 纳米(mi)硬度(du)的(de)形变(bian)超(chao)细(xi)晶组织。Wen 等[60]对(dui)TiB+TiC增(zeng)强(qiang)钛(tai)基复合(he)材料 的喷丸(wan)试(shi)验(yan)结果(guo)表明，增强(qiang)相(xiang)和基体 界面由(you)于(yu)喷(pen)丸(wan)挤压作用(yong)产生(sheng)纳米结构(gou)和高位错密度(du)。Yao等[61]对(dui)TB6 合金表(biao)面完整(zheng)性的研(yan)究认(ren)为铣(xi)削+ 抛(pao)光+喷(pen)丸(wan)+抛光工(gong)艺(yi)可(ke)获得(de)最(zui)佳(jia) 表面形貌(mao)、残余(yu)应(ying)力(li)和显微(wei)硬度状(zhuang)态(tai) （即表面完(wan)整(zheng)性状(zhuang)态），最大程(cheng)度(du)提高(gao) 构(gou)件疲劳(lao)性能(neng)。高玉魁[62]、宋颖(ying)刚[63] 等分(fen)析(xi)了喷丸(wan)对(dui)TC4和(he)TC21合金 组织结构的(de)影(ying)响(xiang)，认为表层(ceng)应变(bian)硬化 和(he)宏观残余(yu)压应力是喷(pen)丸(wan)强化的重 要原因(yin)。冯(feng)宝(bao)香(xiang)[64]和(he)苏雷(lei)[65]等分(fen) 别(bie)从(cong)试验和(he)数(shu)值(zhi)模(mo)拟入(ru)手研(yan)究了(le)喷(pen) 丸(wan)对钛(tai)合(he)金残(can)余(yu)应力的影(ying)响(xiang)。部分 文(wen)献(xian)报道(dao)了喷丸强化(hua)层的金相(xiang)，对比 如(ru)图4所示[59，62，66]。
机械喷(pen)丸的(de)主(zhu)要(yao)作用(yong)是提高钛(tai) 合(he)金(jin)构(gou)件(jian)疲(pi)劳(lao)性(xing)能，在(zai)工艺应用(yong)方(fang) 面(mian)，国(guo)内学者开展了(le)大(da)量(liang)研(yan)究(jiu)。由(you)于(yu) 喷(pen)丸后(hou)表(biao)面粗(cu)糙度(du)升高可能(neng)会影响 叶(ye)片气动(dong)效(xiao)率，Shi等[67]发(fa)现喷(pen)丸后(hou) 进(jin)行光饰处理能够(gou)降(jiang)低(di)表(biao)面粗糙(cao)度， 更(geng)好地提高疲劳(lao)性(xing)能(neng)。戴全春等[68] 采(cai)用喷丸+电(dian)磁(ci)场(chang)复合处(chu)理技术， 使TC11钛合(he)金最大残(can)余压应(ying)力(li)提(ti)高(gao) 了7.7%，疲(pi)劳强(qiang)度提(ti)高(gao)了(le)33%。王强 等(deng)[69]研究(jiu)了TC18合金(jin)孔(kong)结构挤压(ya)强 化(hua)对表(biao)面完整性(xing)和疲劳(lao)性能的影(ying)响， 认为对(dui)于(yu)该(gai)合金孔结(jie)构(gou)，喷(pen)丸(wan)较(jiao)冷挤 压(ya)疲(pi)劳(lao)增(zeng)益(yi)幅度更(geng)大(da)，达(da)到3倍(bei)以上。 张彩(cai)珍(zhen)[70]和徐(xu)鲲(kun)濠(hao)[71]等对钛(tai)合金叶 片(pian)残(can)余(yu)应(ying)力(li)与变(bian)形情况(kuang)的(de)研究(jiu)表明， 残余压应(ying)力(li)是产(chan)生整体(ti)形(xing)变的(de)主(zhu)要 原因(yin)，而采用预变(bian)形和(he)校正方(fang)法可(ke)以 解(jie)决(jue)叶(ye)片(pian)整体变(bian)形问(wen)题。邓(deng)瑛(ying)[72]和(he)尚(shang)建(jian)勤[73]等(deng)认(ren)为应根(gen)据(ju)壁厚(hou)区分钛 合金(jin)零件喷(pen)丸(wan)要求以(yi)实现(xian)工(gong)艺(yi)构(gou)件(jian) 匹(pi)配。杜(du)东兴(xing)等[74]研(yan)究表明喷(pen)丸 对吹砂(sha)–超(chao)音(yin)速火(huo)焰(yan)喷涂TC21合 金零件(jian)的疲劳性(xing)能弱化(hua)具有弥(mi)补作(zuo) 用。喷(pen)丸参(can)数(shu)对TC4[75–77]、Ti60[78]、 TC18[79]等合(he)金疲劳(lao)性能影(ying)响研(yan)究(jiu)认 为(wei)，在一定(ding)服(fu)役(yi)周期后喷丸(wan)可(ke)以进一(yi) 步补(bu)充表面(mian)强化层，延(yan)长(zhang)服役(yi)寿(shou)命。 张少平等[66]对(dui)比(bi)了弹丸对TC17合(he) 金疲(pi)劳性(xing)能的影(ying)响，认(ren)为(wei)玻璃(li)丸喷(pen)丸 疲(pi)劳(lao)增益幅(fu)度最大(da)。
3.2激光(guang)喷(pen)丸(wan)（激(ji)光冲(chong)击(ji)强化(hua)）
Che等[80]对TC21钛(tai)合(he)金进行高 能激光(guang)强(qiang)化，强(qiang)化后(hou)钛合金(jin)表(biao)面硬(ying)度 提(ti)高16%并且粗(cu)糙(cao)度Ra小(xiao)于(yu)0.8μm。 Wang等[81]对(dui)于(yu)TC6激(ji)光(guang)强化研究认(ren) 为(wei)该工艺产生的强(qiang)化(hua)层具有良(liang)好(hao)的热 稳定(ding)性(xing)。
残(can)余压(ya)应力(li)场深(shen)度(du)大是激(ji)光喷(pen)丸与(yu)机械(xie)喷(pen)丸(wan)的重要(yao)差别(bie)。Zhang 等[82]认(ren)为(wei)只有在(zai)较大(da)的(de)残(can)余压应(ying)力 作用下，疲(pi)劳(lao)裂(lie)纹(wen)扩展才(cai)会(hui)受(shou)到抑 制；Sun等(deng)[83]从数值模(mo)拟(ni)角度分析(xi) 了残(can)余压应力对裂纹(wen)扩展的(de)阻(zu)碍(ai)作 用；李启(qi)鹏(peng)等[84]建(jian)立了支持(chi)向量 机理论(lun)的(de)残(can)余应力松(song)弛模型；Shi 等[85]研(yan)究(jiu)了3mm薄壁(bi)钛(tai)合(he)金(jin)焊(han)接(jie) 结(jie)构(gou)激光(guang)喷(pen)丸(wan)，发(fa)现激光(guang)喷(pen)丸改变(bian)了 热(re)影响(xiang)区(qu)的应力(li)状态(tai)，产生(sheng)深层(ceng)残(can)余 压(ya)应力场，使疲(pi)劳强(qiang)度(du)提高了(le)19%。 为了(le)对(dui)比喷丸(wan)与激光强(qiang)化(hua)的表(biao)面(mian)完 整性(xing)特征(zheng)差别(bie)，将部分文献报(bao)道的表 面形(xing)貌(mao)和残余(yu)应力场特征分(fen)别列(lie)入(ru) 表2[60–61，64，76，84，86]和图5[86]。
疲(pi)劳性(xing)能(neng)的增益作用(yong)是(shi)激(ji)光(guang)喷(pen) 丸研究(jiu)的(de)根本目的(de)。Luo等(deng)[86]对比 了(le)激(ji)光(guang)/机(ji)械(xie)喷丸对TC4钛合金(jin)4 点(dian)弯曲疲劳性(xing)能(neng)的(de)影响(xiang)，并通过(guo)对 比(bi)深入解析(xi)了(le)疲(pi)劳(lao)性(xing)能增益的(de)原(yuan)因。 Nie等(deng)[87]建(jian)立(li)了(le)综合(he)考(kao)虑(lv)等(deng)效残余 压(ya)应力(li)和FINDLEY模(mo)型，在(zai)两(liang)倍(bei)误(wu) 差(cha)范围(wei)内成(cheng)功预(yu)测了激(ji)光喷(pen)丸TC4 钛(tai)合(he)金(jin)试(shi)样(yang)的(de)高(gao)周疲劳寿(shou)命。
利(li)用激光(guang)增(zeng)材(cai)制造(zao)零(ling)件是当前(qian) 工(gong)业(ye)界(jie)快速(su)制(zhi)造的(de)重(zhong)要方向(xiang)，在应(ying)用 上(shang)，该(gai)技(ji)术产(chan)生大量内(nei)部缺陷(xian)的问题(ti) 也同样(yang)引(yin)起工(gong)业(ye)界的关(guan)注。AguadoMontero[88]对(dui)比(bi)研究了(le)机械(xie)、激光喷 丸和(he)机(ji)械(xie)喷丸(wan)+表面化(hua)学(xue)处理(li)对(dui)增 材(cai)制(zhi)造TC4疲(pi)劳性能的影响(xiang)，发(fa)现(xian) 3种(zhong)情(qing)况(kuang)下疲(pi)劳强(qiang)度(du)都(dou)远高(gao)于未经 表面处(chu)理(li)的参(can)考组[89]。赖梦(meng)琪等(deng)[90] 对比了锻造和(he)增材制造TC4合金激 光强(qiang)化后的(de)表面完整(zheng)性状(zhuang)态(tai)，认为激(ji) 光(guang)强化提(ti)高(gao)了(le)增(zeng)材制(zhi)造TC4合(he)金致(zhi) 密度，但因内部疏松的(de)缘(yuan)故(gu)使得(de)残(can)余 压(ya)应(ying)力数值小于(yu)锻造(zao)态强(qiang)化。Jiang 等[91]针对激(ji)光(guang)选区融(rong)化(hua)制(zhi)造(zao)构(gou)件(jian)的(de) 超高周疲劳(lao)研(yan)究发(fa)现(xian)激(ji)光喷丸(wan)后(hou)疲(pi)劳(lao)性能(neng)更(geng)低，原因是该型疲劳试验疲(pi) 劳断(duan)口起(qi)源(yuan)于大深度缺陷处。
无(wu)保护(hu)（吸(xi)收）层(ceng)激光喷丸（Laser shockpeeningwithoutprotectivecoating， LSPwC）和改变环(huan)境温度的(de)激光(guang)喷(pen)丸 （温(wen)激光(guang)喷丸(wan)，Warmlaserpeening或(huo)深(shen) 冷激光(guang)喷(pen)丸，Cryogeniclaserpeening） 等(deng)新方(fang)法(fa)研(yan)究(jiu)丰(feng)富了激(ji)光(guang)喷丸技术 树(shu)。Petroni等[92]对(dui)比(bi)了(le)有无(wu)保护 层激(ji)光强化(hua)钛合(he)金微观结(jie)构(gou)和(he)性能， 发(fa)现(xian)有保护(hu)层(ceng)情况下(xia)表面(mian)粗(cu)糙度(du)更 低。Pan等[93]对(dui)比(bi)了室(shi)温和(he)300℃ 激光(guang)喷(pen)丸(wan)后钛(tai)合(he)金(jin)组(zu)织(zhi)，特别的(de)是一(yi) 些(xie)在室(shi)温(wen)下(xia)一(yi)般(ban)不开(kai)动的(de)孪(luan)晶（如 {10–12}）可在(zai)温(wen)激光喷丸过程开(kai)动(dong) 产生(sheng)。Feng等[94]对于(yu)钛合(he)金焊(han)接 结(jie)构温(wen)喷(pen)丸研(yan)究(jiu)结(jie)果表明(ming)，疲(pi)劳(lao)极限 提(ti)高了(le)40%以上。周(zhou)建(jian)忠等[95]采用(yong) 在极低温(wen)度(du)下进行激(ji)光(guang)喷丸(wan)，以(yi)产(chan)生 数值(zhi)更(geng)大(da)的(de)残余压应(ying)力(li)[96]。
3.3其(qi)他表(biao)面(mian)强化(hua)技(ji)术(shu)
为了(le)建(jian)立良好的(de)连接(jie)，销(xiao)钉(ding)孔(kong)结 构(gou)是(shi)航(hang)空(kong)器(qi)钛合(he)金零(ling)件的重要(yao)连接(jie) 方式，同时(shi)，也引(yin)入结(jie)构(gou)弱点(dian)（应力集 中），导(dao)致(zhi)该位置(zhi)的(de)疲(pi)劳(lao)性能(neng)薄弱(ruo)，亟(ji) 待(dai)加(jia)强。对(dui)于(yu)销(xiao)钉(ding)孔结(jie)构(gou)，艾(ai)莹(ying)珺(jun)[97]、 霍(huo)鲁(lu)斌(bin)[98]、罗(luo)学昆[99]、杨广勇(yong)[100]和 马世(shi)成(cheng)[101]等针(zhen)对(dui)TC17、TC4–DT、TB6 钛(tai)合(he)金(jin)研究了(le)适宜的冷挤压(ya)系(xi)列方 法，主(zhu)要(yao)优(you)化(hua)的工(gong)艺参(can)数包括(kuo)挤压(ya)方(fang) 式、过(guo)盈量(liang)、导(dao)端(duan)角等对孔(kong)壁粗糙(cao)度、残(can)余应(ying)力(li)分(fen)布、疲劳性能(neng)的(de)影(ying)响。
除(chu)冷(leng)挤(ji)压(ya)强化(hua)外，超(chao)声喷丸(wan)也(ye) 是近年(nian)来钛(tai)合金表面(mian)强(qiang)化研究的(de)热(re) 点之一(yi)。Zhu等(deng)[102–103]认为超(chao)声(sheng)喷(pen) 丸使纯钛(tai)表面(mian)发(fa)生(sheng)剧(ju)烈(lie)形变，可(ke)形(xing)成(cheng) 纳(na)米+非(fei)晶(jing)的(de)复合表(biao)层。Kumar[104] 和Mordyuk[105]等(deng)也认为(wei)超声喷丸(wan)后 将导致表面(mian)纳米化(hua)。刘德(de)波(bo)等[106] 的(de)研究(jiu)表(biao)明(ming)，降低气孔(kong)疏(shu)松等缺陷(xian)， 引入强化层(ceng)是(shi)超(chao)声(sheng)冲(chong)击处(chu)理(li)焊(han)缝的(de) 主(zhu)要强(qiang)化(hua)作(zuo)用(yong)。蔡(cai)晋(jin)等[107]通过建 立有(you)限(xian)元(yuan)模(mo)型，分析了(le)超(chao)声(sheng)强(qiang)化(hua)腔(qiang) 体(ti)与零(ling)件待(dai)强(qiang)化区(qu)域(yu)的(de)关系(xi)，并(bing)对 比了TC4合(he)金(jin)喷丸和超声(sheng)喷(pen)丸残余 应(ying)力差别[108]。王(wang)谧(mi)等(deng)[109]开展(zhan)了(le)超(chao) 声(sheng)喷丸多(duo)弹(dan)丸仿真。以(yi)上研(yan)究如能(neng) 配合实际(ji)试(shi)验验(yan)证(zheng)将更能(neng)够(gou)推进工(gong) 艺(yi)应(ying)用。
3.4钛合(he)金抗(kang)疲劳(lao)表面改性技(ji)术(shu)展望(wang)
根据(ju)以(yi)上问题，认(ren)为钛合金抗(kang)疲 劳(lao)表面(mian)改(gai)性技(ji)术(shu)主(zhu)要有以(yi)下(xia)3个发 展(zhan)需(xu)求：（1）加强零件结(jie)构适应(ying)性。 对于(yu)薄(bao)壁(bi)以(yi)及对于表(biao)面粗糙度(du)等(deng)有(you) 特殊(shu)要求的(de)零(ling)件，需提供专(zhuan)用表(biao)面(mian)强 化手段(duan)或(huo)工(gong)艺(yi)参数(shu)，在(zai)控制变(bian)形(xing)和(he)表(biao) 面完整性(xing)状(zhuang)态(tai)的(de)前提(ti)下实现抗疲(pi)劳 强(qiang)化(hua)。（2）表(biao)面改性层高(gao)能化(hua)、深(shen)层(ceng) 化(hua)和均(jun)匀化。目(mu)前高(gao)能(neng)深层是(shi)表面 形变强化领(ling)域的普(pu)遍共(gong)识(shi)，而均匀(yun)化(hua) 是(shi)工(gong)业界保(bao)障(zhang)疲(pi)劳(lao)性能(neng)提(ti)高(gao)的关键(jian)， 这方面(mian)容(rong)易(yi)被(bei)学术(shu)领(ling)域(yu)忽略。（3）提(ti)高(gao)成(cheng)本可(ke)控性(xing)。这(zhe)主要来自(zi)于表(biao) 面工(gong)程技术的应(ying)用需(xu)求(qiu)。在(zai)工(gong)业(ye)上， 在(zai)实(shi)施表(biao)面改(gai)性(xing)技术(shu)后，如(ru)何(he)有(you)效(xiao)表 征钛合金(jin)构(gou)件(jian)的疲(pi)劳(lao)性能(neng)，探(tan)索建(jian)立(li) 表(biao)面完(wan)整(zheng)性–试(shi)样疲劳(lao)性能–构件(jian) 疲(pi)劳(lao)性能的内(nei)在(zai)联系，将是(shi)一个研究 难点。
4、结论(lun)
从目前(qian)西(xi)方发(fa)达国(guo)家(jia)航空(kong)航天(tian) 零件使(shi)用材料(liao)的(de)发展(zhan)趋(qu)势(shi)看(kan)，比(bi)强度(du) 高、密度小(xiao)的钛合金(jin)材料(liao)在(zai)很(hen)长(zhang)的一(yi) 段时间(jian)内(nei)仍将是航空航(hang)天(tian)使用的主(zhu) 要金(jin)属材料。解(jie)决该合(he)金磨(mo)损、氧(yang)化 和疲(pi)劳(lao)问(wen)题(ti)是保障钛(tai)合金零(ling)件在航 空航(hang)天器可靠服役的(de)关键。以耐磨(mo) 涂层、抗氧化(hua)涂(tu)层(ceng)和表面(mian)改性(xing)技(ji)术(shu)为(wei) 代表(biao)的表面工(gong)程(cheng)技(ji)术(shu)以(yi)其(qi)低成本(ben)、高 效和不(bu)增重(zhong)（或少增重）的(de)特点，成 为(wei)了解决3大问(wen)题(ti)的钥(yao)匙。
随(sui)着(zhe)我国国力逐步增(zeng)强，航空航天(tian)技术(shu)将(jiang)进(jin) 一步(bu)快速发展(zhan)，钛(tai)合(he)金表面工程(cheng)技术发展(zhan)机遇(yu)巨大(da)，同(tong)样也(ye)面临(lin)着(zhe)基础(chu)研 究(jiu)和(he)工艺应(ying)用(yong)带来(lai)的巨(ju)大(da)挑战(zhan)，有待 广(guang)大(da)表面(mian)工(gong)程科技工(gong)作者深入研(yan)究(jiu) 解(jie)决。
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