为改善钛合金耐磨和抗疲劳性能,采用离子渗技术在TC4钛合金表面先渗Zr,再渗N形成梯度ZrN合金化层,并与喷丸强化(SP)后处理复合。采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪和显微硬度计分析测试了改性层的组织结构和硬度沿层深的分布,探讨了改性层对TC4钛合金疲劳性能的影响规律和作用机制。结果表明,TC4钛合金离子渗层由ZrN-TiN复合相表层和富氮的Zr-Ti固溶体次表层组成,表面以ZrN相为主,其硬度较基材提高了3.2倍,合理强度的喷丸后处理未造成渗ZrN层表面明显损伤,并使表层硬度进一步增大,硬度沿层深呈现梯度递减分布。渗ZrN层明显降低了TC4合金的疲劳抗力,此归于ZrN-TiN层韧性低、表面粗糙度大。SP后处理则使渗ZrN的TC4钛合金疲劳抗力显著提高,不仅远高于TC4钛合金基材,而且远大于SP处理状态,原因归于复合处理引入了数值高、分布深的残余压应力场,并使表面粗糙度降低、组织改善,有效抑制了疲劳裂纹的萌生和扩展。