航空航天技术是高度综合的现代科学技术 ，也是国度最高工业水平 的体现之一 。航空航天器在运行过 程中需克服沉力 ，且在高温、高速等 复杂环境中服役 ，因而 ，该领域部件的轻质化要求极度高 。钛合金拥有 高比强度、低密度的利益 ，可在室温到中高温环境服役 ，是航空航天零件利用的沉要资料[1–2] 。飞机/直升机 的各类框、梁、机翼壁板、桨毂等[3] ， 现役航空发起机的电扇/压气机转 定子、压气机机匣、中介机匣等[4–5] ， 航天用容器[6]、承力结构、紧固件[7] 等选取钛合金资料造作 ，可谓利用宽泛 。与此同时 ，相比结构钢或镍基高 温合金 ，钛合金也存在硬度低、耐磨 性差、高温氧化抗力差等问题 ，表表 应力集中敏劝化致的机械委顿问题 （后简称委顿）也较凸起 。综合来说 ， 航空航天领域迪胙合金零件长命命 高靠得住服役必要克服3大问题—— 磨损、侵蚀和委顿 。
3大问题均为表表工程问题 。 为此 ，基于钛合金资料 ，国内表学术 与工业领域发展了大量表表工程技 术的基础和利用钻研 ，主张是提高钛 合金资料及零件的耐磨性、抗氧化性 和委顿抗力 ，最终实现涂层在钛合金零件的靠得住利用 。以下将分节对3大类航空航天钛合金表表工程技术 钻研进展进行逐一探求 。现实上 ，钛合金还具备优良的生物相容性 ，被应 用于医学植入物 ，这方面表表工程技 术钻研不在本钻研会商之列 。特殊地 ， 航空发起机钛合金叶片/机匣定转子 摩擦部位还可能涂覆封严涂层 ，以保 证气流密关性提高气动效能 ，这是发起机单一部位的使用需要 ，本钻研不 专门论说 。
1、钛合金耐磨损涂层
钛合金硬度低、耐磨性较差是 工业界共识 ，然而 ，为轻量化和耐 室温侵蚀的需要 ，钛合金零件较多 地利用于可能产生摩擦磨损的环境下 ，比力典型的利用为钛合金起落 架活塞杆[8] 。工业界选取各类伎俩将硬质涂层镀覆在钛合金表表 ，形成“硬壳软芯”结构 ，同时满足耐磨 和受载的需要 。
1.1沉积、喷涂涂层
选取物理步骤在较软迪胙合金 表表造备硬质涂层 ，是国内表工程界 公认的耐磨步骤 。Hong等[9]利用 电火花沉积技术在钛合金TC11表 面镀覆TiN涂层 ，通过厚度、TiN含量和空地率等分析了工艺参数对涂 层微观结构和耐磨性的影响 ，获得了 优化沉积工艺和涂层磨损失效机造 。 在TC4基体表表 ，曹鑫等[10]选取物 理气相沉积的步骤造备了TiN/Ti梯 度涂层 ，分析了梯度涂层结构在沙尘 冲蚀危险的影响 ，发现TiN∶Ti=1∶3 时 ，实现强韧性匹配 ，耐冲蚀机能最 佳 。Richard等[11]利用热喷涂法在钛 合金表表造备ZrO2–Al2O3–TiO2纳米 陶瓷涂层 ，该涂层相比单一ZrO2涂层 拥有更佳的摩擦系数、耐磨性和耐蚀 性 。在VT6钛合金表表 ，Koshuro等[12] 选取等离子喷涂氧化铝结合后续微 弧氧化步骤造备金属氧化物涂层 ，硬 度提高到1640HV 。Liu等[13]利用 爆炸喷涂步骤在Ti–Al–Zr合金表表 造备了HV1800（压头载荷5g）WC– Co涂层 ，在25~400℃的较宽温域提 高了微动委顿机能 。Pawlak等[14] 利用反映电弧沉积造备Ti–C–N底 层后利用磁控溅射造备WC–C面层 ， 使得TC4钛合金耐磨性提高94% 。 王俊等[15]选取等离子喷涂在钛合金 表表造备氧化物涂层 ，接着选取激光 熔覆步骤提高了氧化物涂层硬度 。 部门涂层结构如图1所示[9 ，11 ，14] 。
1.2激光熔覆涂层
预涂粉末混合干燥后进行激光 熔覆的步骤在钛合金表表产生硬质 耐磨涂层 ，同样是国内表钻研的热 点 。Mohazzab[16]和Wu[17]等选取激 光表表处置步骤在纯钛或钛合金表 面造备了TiC和Ti–Si硬质层 ，硬度可 达到1000HV0.1以上 ，以提高硬度和耐 磨性 。Wang等[18]在TC4合金表表造 备了耐磨机能更佳的精密片层结构纯 钛涂层 ，以为激光熔覆过程的细晶强 化作用是提高耐磨性的重要原因 。高 霁[19]、Zhao[20]、戈晓岚[21]、蒋松林[22]、 李春燕[23]、林沛玲[24]、刘丹[25]和刘 庆辉[26]等别离在钛合金表表造备 CBN、Ti–O–N、Ti–Al–Nb、WC–Co、 Ti–Si–C、Ti–B或多元素复合（如掺 Ni）硬质耐磨层 ，以引入更高的显微 硬度和摩擦磨损机能 。Ye[27]、任佳[28] 和相占凤[29]等在粉末平别离参与碳 纳米管和h–BN（六方氮化硼） ，在涂 层中形成了软硬混合的相结构 ，起到 了优良的耐磨减磨机能 。以上钻研 中 ，部门选取了脉冲能量较大的脉冲 激光器（如Nb–YAG） ，有的选取了连 续的光纤激光器 。该类涂层的共同 特点是拥有熔覆区–结合区–扰装 响区–基体等多层过渡结构 。为分 析涂层种类带来的表表硬度梯度差 别 ，将部门文件报路的涂层个性列入 表1[17–19 ，21–24 ，27–28 ，30] 。
1.3渗层与镀层
沈志超等[31]选取无氰镀铜步骤使钛合金TC4表表摩擦系数由0.52 降低到0.38 。田晓东等[32]利用辉 光离子渗在TC4钛合金表表形成 MoS2–Mo渗层 ，表层减磨 ，次表层硬 化 ，形成硬度梯度结构 。Zhao等[33] 在激光选区溶解造作迪胙合金零件 表表进行气体渗氮 ，使其纳米硬度从 5.2GPa提高到13.3GPa ，并降低了摩 擦系数 。此表 ，有些钻研选取复合 处置来提高钛合金耐微动磨损机能 。 李瑞冬等[34]以为喷丸+CuNiIn涂层 能够改善微动磨损机能 。刘路新等[35] 选取离子渗氮后喷丸的步骤 ，更好地 提高了TC4合金抗微动磨损和委顿 机能 。
1.4钛合金耐磨损涂层技术瞻望
从以上文件分析 ，耐磨涂层的发 展存在以下几个趋向：（1）多元、多 工艺复合处置 ，利用造备工艺特点 ， 造作多元或多层复合结构 ，在保险涂 层硬度的同时 ，增长韧性 ，实现强韧 化匹配；（2）加强涂层力学机能设 计 ，通过推算仿真伎俩 ，获得表载下 内应力低、结合力好且结构靠得住的耐 磨涂层系统 。另表 ，工业界应在保险 涂层结构分析的基础上 ，加强涂层的 仿照服役机能试验 ，在实际中获得真 知 ，加快钻研了局利用 。
2、钛合金抗氧化和阻燃涂层
在室温下 ，钛合金表表能够形成 致密的氧化膜 ，故拥有优良的室温耐 侵蚀机能 。部门航空航天器使用迪胙合金零件必要在中温甚至高温下 使用 ，而该前提下形成的氧化膜是多 孔的TiO2 ，无法有效招架氧原子向 内扩散 。另一方面 ，钛合金的燃点低 于熔点 。当航空发起机高速活动的 钛合金零件因某些原因（如变形、断 裂等）产生位移时 ，部件间相对活动 （如转定子）高速摩擦生热可能点燃 钛合金而产生钛火变乱 ，严沉危及航 空航天器安全使用 。因而 ，国内表积 极发展了钛合金抗氧化涂层和阻燃 涂层的研造 。通过两类涂层扭转钛 合金表表氧化和温升机造是一个可 靠步骤 。
2.1抗氧化涂层
Du等[36]首先造备微弧氧化 TiO2膜 ，接着选取磁控溅射步骤在膜 表表镀覆纯铝 ，最终利用阶梯式扩散 热处置提高了上述两层的冶金结合； 该步骤造备的复合涂层（重要成分α– Al2O3）拥有优良的阻氧扩散能力 ， 在973~1073K前提下显著降低了钛 合金的氧化增沉 。Maliutina等[37]采 用激光熔覆方式在TiAl合金表表造 备Ti48Al2Cr2Nb涂层 ，在700~900℃ 氧化过程中 ，其中Nb和Cr抑造了 TiO2的成长 ，涂层表表形成以Al2O3 为主的多层氧化膜 。在工业纯钛表 面 ，Shugurov等[38]选取直流磁控溅射造备了Ti1–x–yAlxTayN涂层 ，该涂层 提高了850℃氧化抗力 ，但无法提高 950℃氧化机能 ，随着Ta元素含量增 加 ，950℃氧化机能逐步变差 。Yin[39] 的钻研批注 ，LaB6的适度增长能够细 化激光熔覆TiC+TiBx涂层 ，提高氧 化机能 。Yu等[40]钻研了分歧MoO3 含量的玻璃陶瓷涂层（硼铝硅酸盐微 晶玻璃）在850~1050℃温度领域内 沉积在TA2工业纯钛上的抗氧化行 为 ，以为富Mo层起到优良抗氧化效 果 。Zhang[41]、汝强[42]和陈倩[43]等采 用电弧镀或离子镀步骤在钛合金表 面造备含铝涂层 ，单晓浩等[44]选取 激光熔覆造备Nb–Al–Ti涂层 ，利用 Al2O3优良的阻氧扩散能力提高钛合 金氧化抗力 。除了以上的涂层技术 表 ，表表改性步骤也利用于钛合金抗 氧化 。Kanjer等[45]在纯钛表表选取 WC珠、Al2O3珠和玻璃珠进行超声 喷丸 ，降低了700℃/100h和3000h的 氧化增沉 ，以为喷丸样品形成的陆续 富氮层起到了阻氧扩散预防剥落分 层的作用；He等[46]利用激光喷丸在 Ti2AlNb表表产生细晶层和高位错密 度 ，提高了720℃氧化机能 。部门涂 层结构如图2所示[36–38] 。
2.2阻燃涂层
针对钛火问题 ，Anderson等[47]提出物理气相沉积Pt/Cu/Ni复合涂层 ， 王长亮等[48]选取热喷涂铝涂层 ，利用 涂层元素优良的导热性预防钛合金零 件部门温升 。Freling[49]和Kosing[50]等 提出选取ZrO2涂层用于阻燃 ，则利 用了ZrO2较低的热导率 。Li等[51] 选取Ti–Cr和Ti–Cu等多元金属涂 层 ，通过涂层点火不敏感实现阻燃 。
近年来 ，钛合金阻燃涂层的一个 钻研热点是多层结构 。弥光宝等[52]提 出热喷涂步骤造备YSZ+NiCrAl-B. e复合涂层 ，实显熹临界着火氧浓度 提高至钛合金基体的2.3倍 ，YSZ产 生了优良的阻隔热量传输的作用 。 汪瑞军[53–54]、曹江[55]和傅斌友[56]等 提出微弧离子表表改性和热喷涂工 艺技术在TC11基体上造备复合阻 燃涂层 ，别离利用Ti–Zr非晶和YSZ 实现吸收能量和隔热 ，部门涂层结构 如图3所示[52 ，56] 。
2.3钛合金抗氧化和阻燃涂层技术瞻望
从以上文件看 ，抗氧化涂层的主 要主张是阻氧扩散 ，而阻燃涂层在 阻氧扩散的基础上 ，还必要实现隔热 和能量吸收 。那么 ，对于上述涂层的 发展要求通常为：（1）拥有优良结合 力；（2）拥有包覆性、陆续且拥有一 定厚度的阻氧扩散层（如α–Al2O3、TiN等）；（3）具备氧化层不造成分 （如富Mo层） ，使得氧化层形成后能 够维持不变 ，削减和预防剥落或分 层；（4）在工艺和成分节造上 ，尽可 能减幼孔洞 ，预防氧原子直接急剧进 入基体；（5）向多元、多层结构发展 ， 同时实现吸收能量和断绝热量等多 沉主张 。
3、钛合金抗委顿表表改性
在满足航空航天器轻量化需要 的同时 ，钛合金零件还必要满足长命 命与高靠得住性需要 ，这就要求钛合金 零件拥有优良的委顿抗力 。然而 ，钛合金是种典型的难加工资料 ，加工过 程刀具可能产生粘着磨损使得表表 应力复杂 ，加之其导热性较差导致局 部温升 ，因而钛合金零件加工后表表 齐全性节造难题 。工业界大量使用 抗委顿表表改性（或表表形变强化技 术 ，Surfacemechanicaltreatment）来提 高钛合金零件表表齐全性状态 ，进而 实现长命命高靠得住性要求 。在抗委顿 表表改性中 ，机械喷丸（Shotpeening） 和激光冲击强化（激光喷丸）（Laser shockpeeningorLaserpeening）结构 适应性强 ，被业界宽泛钻研 。部门适 应特殊结构的表表强化工艺技术 ， 如适应孔结构的冷挤压强化（Cold expansion）和适应焊接结构的超声喷 丸强化（Ultrasonicimpacttreatmentor Ultrasonicimpactpeening） ，也发展了 系列钻研 。
3.1机械喷丸
机械喷丸对表表齐全性的影响 重要为表表描摹、表层组织机能与残存应力 。Ma等[57–58]利用离心式喷 丸机钻研了Ti1023钛合金大尺寸弹 丸喷丸后的梯度组织 。Unal等[59]对 纯钛进行高能喷丸 ，分析了拥有更高 纳米硬度的形变超细晶组织 。Wen 等[60]对TiB+TiC加强钛基复合伙料 的喷丸试验了局批注 ，加强相和基体 界面由于喷丸挤压作用产生纳米结构和高位错密度 。Yao等[61]对TB6 合金表表齐全性的钻研以为铣削+ 抛光+喷丸+抛光工艺可获得最佳 表表描摹、残存应力和显微硬度状态 （即表表齐全性状态） ，最大水平提高 构件委顿机能 。高玉魁[62]、宋颖刚[63] 等分析了喷丸对TC4和TC21合金 组织结构的影响 ，以为表层应变硬化 和宏观残存压应力是喷丸强化的沉 要原因 。冯宝香[64]和苏雷[65]等分 别从试验和数值仿照动手钻研了喷 丸对钛合金残存应力的影响 。部门 文件报路了喷丸强化层的金相 ，对比 如图4所示[59 ，62 ，66] 。
机械喷丸的重要作用是提高钛 合金构件委顿机能 ，在工艺利用方 面 ，国内学者发展了大量钻研 。由于 喷丸后表表粗糙度升高可能会影响 叶片气动效能 ，Shi等[67]发现喷丸后 进行光饰处置可能降低表表粗糙度 ， 更好地提高委顿机能 。戴全春等[68] 选取喷丸+电磁场复合处置技术 ， 使TC11钛合金最大残存压应力提高 了7.7% ，委顿强度提高了33% 。王强 等[69]钻研了TC18合金孔结构挤压强 化对表表齐全性和委顿机能的影响 ， 以为对于该合金孔结构 ，喷丸较冷挤 压委顿增益幅度更大 ，达到3倍以上 。 张彩珍[70]和徐鲲濠[71]等对钛合金叶 片残存应力与变形情况的钻研批注 ， 残存压应力是产生整体形变的重要 原因 ，而选取预变形和校对步骤能够 解决叶片整体变形问题 。邓瑛[72]和尚建勤[73]等以为应凭据壁厚分辨钛 合金零件喷丸要求以实现工艺构件 匹配 。杜东兴等[74]钻研批注喷丸 对吹砂–超音速火焰喷涂TC21合 金零件的委顿机能弱化拥有添补作 用 。喷丸参数对TC4[75–77]、Ti60[78]、 TC18[79]等合金委顿机能影响钻研认 为 ，在肯定服役周期后喷丸能够进一 步补充表表强化层 ，耽搁服役寿命 。 张少平等[66]对比了弹丸对TC17合 金委顿机能的影响 ，以为玻璃丸喷丸 委顿增益幅度最大 。
3.2激光喷丸（激光冲击强化）
Che等[80]对TC21钛合金进行高能激光强化 ，强化后钛合金表表硬度 提高16%并且粗糙度Ra幼于0.8μm 。 Wang等[81]对于TC6激光强化钻研认 为该工艺产生的强化层拥有优良的热 不变性 。
残存压应力场深度大是激光喷丸与机械喷丸的沉要差距 。Zhang 等[82]以为只有在较大的残存压应力 作用下 ，委顿裂纹扩大才会受到抑 造；Sun等[83]从数值仿照角度分析 了残存压应力对裂纹扩大的故障作 用；李启鹏等[84]成立了支持向量 机理论的残存应力松弛模型；Shi 等[85]钻研了3mm薄壁钛合金焊接 结构激光喷丸 ，发现激光喷丸扭转了 扰装响区的应力状态 ，产生深层残存 压应力场 ，使委顿强度提高了19% 。 为了对比喷丸与激光强化的表表完 整性特点差距 ，将部门文件报路的表 面描摹和残存应力场特点别离列入 表2[60–61 ，64 ，76 ，84 ，86]和图5[86] 。
委顿机能的增益作用是激光喷 丸钻研的底子主张 。Luo等[86]对比 了激光/机械喷丸对TC4钛合金4 点弯曲委顿机能的影响 ，并通过对 比深刻解析了委顿机能增益的原因 。 Nie等[87]成立了综合思考等效残存 压应力和FINDLEY模型 ，在两倍误 差领域内成功预测了激光喷丸TC4 钛合金试样的高周委顿寿命 。
利用激光增材造作零件是当前 工业界急剧造作的沉要方向 ，在利用 上 ，该技术产生大量内部缺点的问题 也同样引起工业界的关注 。AguadoMontero[88]对比钻研了机械、激光喷 丸和机械喷丸+表表化学处置对增 材造作TC4委顿机能的影响 ，发现 3种情况下委顿强度都远高于未经 表表处置的参考组[89] 。赖梦琪等[90] 对比了铸造和增材造作TC4合金激 光强化后的表表齐全性状态 ，以为激 光强化提高了增材造作TC4合金致 密度 ，但因内部疏松的缘故使得残存 压应力数值幼于铸造态强化 。Jiang 等[91]针对激光选区消融造作构件的 超高周委顿钻研发现激光喷丸后委顿机能更低 ，原因是该型委顿试验疲 劳断口发源于大深度缺点处 。
无；ぃㄎ眨┎慵す馀缤瑁↙aser shockpeeningwithoutprotectivecoating ， LSPwC）和扭转环境温度的激光喷丸 （温激光喷丸 ，Warmlaserpeening或深 冷激光喷丸 ，Cryogeniclaserpeening） 等新步骤钻研丰硕了激光喷丸技术 树 。Petroni等[92]对比了有无； 层激光强化钛合金微观结构和机能 ， 发现有；げ闱榭鱿卤肀泶植诙雀 低 。Pan等[93]对比了室和善300℃ 激光喷丸后钛合金组织 ，出格的是一 些在室温下通常不开动的孪晶（如 {10–12}）可在温激光喷丸过程开动 产生 。Feng等[94]对于钛合金焊接 结构温喷丸钻研了局批注 ，委顿极限 提高了40%以上 。周建忠等[95]选取 在极低温度下进行激光喷丸 ，以产生 数值更大的残存压应力[96] 。
3.3其他表表强化技术
为了成立优良的衔接 ，销钉孔结 构是航空器钛合金零件的沉要衔接 方式 ，同时 ，也引入结构弱点（应力集 中） ，导致该地位的委顿机能幽微 ，亟待加强 。对于销钉孔结构 ，艾莹珺[97]、 霍鲁斌[98]、罗学昆[99]、杨广勇[100]和 马世成[101]等针对TC17、TC4–DT、TB6 钛合金钻研了合适的冷挤压系列方 法 ，重要优化的工艺参数蕴含挤压方 式、过盈量、导端角等对孔壁粗糙度、残存应力散布、委顿机能的影响 。
除冷挤压强化表 ，超声喷丸也 是近年来钛合金表表强化钻研的热 点之一 。Zhu等[102–103]以为超声喷 丸使纯钛表表产生剧烈形变 ，可形成 纳米+非晶的复合表层 。Kumar[104] 和Mordyuk[105]等也以为超声喷丸后 将导致表表纳米化 。刘德波等[106] 的钻研批注 ，降低气孔疏松等缺点 ， 引入强化层是超声冲击处置焊缝的 重要强化作用 。蔡晋等[107]通过建 立有限元模型 ，分析了超声强化腔 体与零件待强化区域的关系 ，并对 比了TC4合金喷丸和超声喷丸残存 应力差距[108] 。王谧等[109]发展了超 声喷丸多弹丸仿真 。以上钻研如能 共同现实试验验证将更可能推动工 艺利用 。
3.4钛合金抗委顿表表改性技术瞻望
凭据以上问题 ，以为钛合金抗疲 劳表表改性技术重要有以下3个发 展需要：（1）加强零件结构适应性 。 对于薄壁以及对于表表粗糙度蹬仔 特殊要求的零件 ，需提供专用表表强 化伎俩或工艺参数 ，在节造变形和表 面齐全性状态的前提下实现抗委顿 强化 。（2）表表改性层高能化、深层 化和均匀化 。目前高能深层是表表 形变强化领域的普遍共识 ，而均匀化 是工业界保险委顿机能提高的关键 ， 这方面庞易被学术领域忽略 。（3）提高成本可控性 。这重要来自于表 面工程技术的利用需要 。在工业上 ， 在执行表表改性技术后 ，若何有效表 征钛合金构件的委顿机能 ，索求成立 表表齐全性–试样委顿机能–构件 委顿机能的内涵联系 ，将是一个钻研 难点 。
4、结论
从目前西方蓬勃国度航空航天 零件使用资料的发展趋向看 ，比强度 高、密度幼迪胙合金资料在很长的一 段功夫内仍将是航空航天使用的主 要金属资料 。解决该合金磨损、氧化 和委顿问题是保险钛合金零件在航 空航天器靠得住服役的关键 。以耐磨 涂层、抗氧化涂层和表表改性技术为 代表的表表工程技术以其低成本、高 效和不增沉（或少增沉）的特点 ，成 为相识决3大问题的钥匙 。
随着我国国力逐步加强 ，航空航天技术将进 一步急剧发展 ，钛合金表表工程技术发展机缘巨大 ，同样也面对着基础研 究和工艺利用带来的巨大挑战 ，有待 宽大表表工程科技工作者深刻钻研 解决 。
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