钛合金有着优越的综合性能,而被广泛应用于国防、化工、能源、航空航天和生物工程等领域。但钛合金依然存在着表面硬度不高,耐磨性及疲劳性差等问题,在很多情况下不能满足实际生产需要。为此我们希望在其表面制备具有与基体结合强度高、硬度梯度均匀变化、耐磨性好、具有优异的化学稳定性以及生物兼容性的改性层,以扩大其使用范围,延长使用寿命。与传统钛合金表面强化方式不同,本文提出了在真空状态下采用气体脉冲的方式对钛合金进行表面改性。研究了不同工艺参数对钛合金渗层组织、结构、硬度及耐蚀性的影响,以及渗氮过程中的机理及动力学模型。主要研究内容如下:(1)首先采用真空脉冲的试验工艺,探究渗氮温度、渗氮压力、氮氩混合等不同实验参数对TA2钛合金表面改性层的影响。结TA2工业纯钛在750-900℃下氮化处理后,表面生成性能稳定且与基体结合紧密的氮化层,其主相为TiN0.3。氮化层厚度随温度的升高而增加,但是温度的升高会导致基体组织粗大。与原样相比腐蚀速率降低了2个数量级,900℃时渗氮层表面硬度可达HV1001,比基体硬度(HV210)提高约5倍,耐磨速率由原样的0.1573cm3/N.h减小到0.0004cm3/N.h,降低了3个数量级;渗氮的压力大小影响渗氮层的相组成,负压有利于N原子的真空渗入,利于渗氮层厚度的增加。但压力对渗氮层的影响并不如温度对它的影响大;采用不同氮氩比对TA2进行氮时,氮含量越低越利于扩渗,但是过少的有效活性N原子的不利于渗层的致密性和厚度增强,随着氮分压的增大,渗氮层表面越为致密,同时导致N原子扩散难度增大。(2)为了改善钛合金单独气体氮化存在的问题,本文提出了一种碳氮复合渗工艺。TA2钛合金进行碳氮复合渗处理后的表面性能比单独气体渗氮表现的更为优异。改性层也由单纯的钛的氮化物相转变为钛的碳氮化物复合相(TiN0.3、C0.7N0.3Ti、TiN/TiC),这种碳氮复合改性层与基体过渡均匀,形成的硬度梯度平缓,耐磨性与耐蚀性也得到了提高。相对原样下降了4个数量级,比单独气体渗氮的下降了1个数量级(3)钛合金气体氮化属于典型的气固反应,在理想状态下,气固反应动力学受内扩散和表面渗透两种因素控制;在实际反应过程中,“渗透控制”和“扩散控制”在渗氮过程中随着反应时间的变化可能呈现不同的控速比重。本文采用一种新的动力学模型对钛合金渗氮与碳氮复合渗动力学反应进行模拟,在模型中引入新的参数——控制系数n,用于判断渗氮过程中的控速机理。当n值小于1时,气固反应中内扩散控制所占的比重大于渗透控制。当n大于1时,反之。对实验数据进行拟合分析后发现:钛合金采用单独渗氮时,内扩散为主要的控速环节,而采用复合渗时,表面渗透则为主要控速环节。