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为提高大型汽轮机叶片的耐磨损和抗汽蚀性能,采用激光气体氮化的方法,以TC4钛合金为基体,高纯氮气和氩气为反应和保护气体,在自制保护装置作用下,通过不同激光功率、扫描速度、氮化气氛下激光气体氮化后所获得的表面形貌、显微组织、物相成分和显微硬度等方面的对比分析,获得了无裂纹气孔、氮化枝晶均匀致密,具有合理的硬度梯度和一定耐磨和抗汽蚀性能的氮化层,并探究了钛合金激光气体氮化机理和表面强化机制。研究结果表明:在1200W～1800W范围内,激光功率越大,氮化层内氮化枝晶越密集。当功率1800W时,液态薄膜在拉应力的作用下开裂,形成结晶裂纹,在晶体的交界处和氮化层中心形成纵向裂纹。在8mm/s～14mm/s范围内,扫描速度越大,氮化层深度越小,氮化枝晶的体积分数越低,表面质量也越平整。为获得综合性能较好的氮化层,扫描速度范围应为10mm/s～12mm/s,能量密度3.33kJ/cm2～4.0kJ/cm2。达到临界功率密度,则熔体金属内可能有大量的TiN枝晶生成,同时氮化保护气体中的氮氩比例对氮化物形成也有重要影响。在 P=1600W,V=12mm/s,N2:Ar=15L/min:5L/min,能量密度 3.33kJ/cm2 时,氮化表面主要物相为高硬相TiN和少量金属Ti,未发现Al和V的化合物存在,氮化层深度可达960μm,平均硬度可达650HV0.3,约为基体的2.03倍。研究发现,达到临界功率密度为氮化进程提供了反应的熔池和一定的活性氮原子;扫描速度影响活性氮原子与熔体金属的作用时间;氮化反应气体中N2:Ar比例的降低,抑制熔池表面N2分子的吸附和迁移过程,阻碍氮化进程。经120min的磨损试验后,氮化层的耐磨性比TC4基体提高7倍。氮化层抗汽蚀性能有随着硬度增加而增加的趋势。经16小时汽蚀实验测定,氮化层的抗汽蚀性能比基体提高了 2.61倍。枝晶构成网篮状组织,缓冲空泡的运动冲击,对汽蚀的发生区域具有限制作用。