随着我国海洋强国战略的提出,具有优良耐蚀性的钛合金成为海洋工程青睐的高端材料。然而,钛合金本身硬度相对较低、摩擦系数高、耐磨性差的缺陷限制了它的广泛应用。此外,在严苛的海洋环境中钛合金结构件有发生缝隙腐蚀的危险。通过离子渗氮在钛合金表面生成多级渗氮层能同时增强钛合金耐磨性和耐蚀性。但在极端腐蚀条件(高温、低p H值、高Cl离子浓度)下,钛合金渗氮层存在易萌生裂纹、发生局部剥落的问题。为了解决上述问题,本课题拟在渗氮前增加表面纳米化作为前处理,通过梯度纳米晶结构缓解显微结构从渗氮层到基体的突变,抑制渗氮层剥落。通过表面纳米化和离子渗氮两个工艺的配合,在钛合金表面上制备具有良好结合力的耐腐蚀氮化层,更好地发挥钛合金在海洋环境中的功能。本研究以综合力学性能良好的TC4(Ti-6Al-4V)钛合金为实验材料,通过调整表面纳米化喷丸工艺及低温离子渗氮工艺参数来调控渗氮层结构,寻找最佳膜/基结合力与耐蚀性的渗氮层结构。通过高能喷丸,在TC4钛合金表面制备出梯度纳米结构。喷丸变形层(SPD层及总变形层)厚度随喷丸时间延长或喷丸压力增大皆呈现阶梯型增加趋势,但达到饱和变形量后,变形层厚度趋于饱和。表层纳米晶平均尺寸随喷丸变形程度增加而降低,并在饱和变形量时趋于稳定。晶粒细化机制为位错运动主导。表面纳米化显著提高了TC4的表面硬度。当表面α相细晶化进入饱和阶段后,表面硬度也趋于稳定。0.6 MPa下喷丸25 min后表面纳米晶尺寸和SPD层的厚度都趋于饱和,因此确定0.6 MPa/25 min为TC4钛合金喷丸纳米化工艺参数。表面纳米化TC4钛合金实现了500℃低温离子渗氮,获得了表面纳米晶渗氮层。在500℃低温渗氮过程中,喷丸样品表面稳定的纳米晶结构加速原子扩散,让氮原子在低温下保持较高的扩散速率。表面纳米化后低温渗氮样品(SP-500℃-20 h)的氮化物层厚度与粗晶中温渗氮样品(O-600℃-10h)的氮化物厚度相似,约2.1μm。同时,SP-500℃-20 h低温渗氮与O-600℃-10 h中温渗氮的表面硬度相近,截面硬度分布规律相同。SP-500℃样品保留了表面纳米晶组织,同时心部基体组织也保持稳定。因此SP-500℃低温渗氮是本文推荐的渗氮温度。若需要更厚的化合物层,可延长渗氮时间。使用划痕法对比氮化物层厚度同为约2μm的纳米晶渗氮层(在SP-500℃-20 h)与粗晶渗氮层(O-600℃-10 h)的膜/基结合力。实验结果显示纳米晶氮化物表层开始剥落的临界应力Lc1值偏小;而纳米晶氮化层与粗晶氮化层完全失效的临界应力Lc2相同,约30 N。考虑到纳米晶氮化物表层表面粗糙度远大于粗晶渗氮层样品,而粗糙表面会对划痕实验带来不利影响,因此纳米晶氮化物的膜/基结合力实际应该更好。在室温3.5%Na Cl溶液中,不同表面状态的渗氮样品(SP-500℃-20 h/O-600℃-10h)的阳极极化电流比渗氮前更低,极化电阻比渗氮前更高,即耐蚀性更好。纳米晶氮化物表面(SP-500℃-20 h)的耐蚀性显著优于粗晶氮化物表面(O-600℃-10 h)。此外,考虑到粗糙度对极化曲线的负面影响,可以推测当样品粗糙度相同时,纳米晶氮化物表面(N-SP)的自腐蚀电位还会升高、阳极极化电流则会显著降低,即能展示出更好的耐蚀性。