微弧氧化技术可以在钛合金表面生长一层陶瓷膜层,且不会改变合金内部结构与力学性能。但是,目前所研究的膜层硬度偏低,而在剧烈摩擦环境下对膜层的硬度有较高的要求,因此需研究能够提高膜层显微硬度的微弧氧化处理工艺。本文通过在不同主盐溶液、不同电参数和不同有机添加剂的条件下,系统的研究了膜层显微硬度随参数的变化规律,并通过SEM、EDS、XRD等测试手段对膜层的微观形貌、元素分布和相组成进行分析。研究发现,膜层相组成是影响膜层显微硬度的主要因素之一。铝酸盐溶液中膜层的显微硬度最高,但膜基结合最差,锆盐溶液膜层显微硬度次之,磷酸盐和硅酸盐溶液中所得膜层硬度无明显区别。在硅酸盐、磷酸盐、铝酸盐和锆盐溶液中对TC4合金微弧氧化处理,锆盐溶液下的起弧电压相对最低,膜层表面粗糙度最小。起弧电压随主盐浓度的增大均逐渐减小。在锆盐溶液中,随时间的增长,微弧氧化膜层厚度逐渐增大,表面孔隙率和粗糙度也逐渐变大,膜层中ZrO2的含量逐渐减小,膜层表面显微硬度先增加后减小。随电压的增大,膜层表面微孔数量减小,孔径逐渐变大,表面致密性下降,显微硬度随电压升高呈先增后减趋势。锆盐溶液中制备高硬度微弧氧化膜层的最佳工艺参数为:氧化时间15 min,电压420 V,占空比15%,脉冲频率500 Hz。醇类添加剂和胺类添加剂均可使膜层表面结构致密,微孔分布均匀。在添加丙三醇、N,N-二甲基甲酰胺、脲的溶液中制备的微弧氧化膜层中生成新相TiC提高膜层显微硬度。醇类添加剂中丙三醇的加入对膜层硬度的提高有促进作用,胺类添加剂中N,N-二甲基甲酰胺、三乙醇胺、脲均可提高膜层显微硬度,其中脲的加入对膜层显微硬度的提高最显著。整体上,胺类添加剂比醇类添加剂更能有效提高膜层显微硬度。