引言

表面改性是指對(duì)材料表面進(jìn)行物理、化學(xué)或結(jié)構(gòu)上的改變，以改善其性能、增加功能或適應(yīng)特定應(yīng)用需求的過(guò)程。表面改性通常通過(guò)一系列的處理方法和技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以針對(duì)不同的材料和應(yīng)用目的進(jìn)行定制。

表面完整性是指材料表面在制造、加工或使用期間所具有的無(wú)瑕疵、無(wú)缺陷、平整光滑的狀態(tài)。鈦合金因其優(yōu)異的力學(xué)性能和良好的抗腐蝕性而在航空航天、汽車和醫(yī)療領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。鈦合金疲勞性能是指鈦合金在受到交替或循環(huán)加載下所表現(xiàn)出的抗疲勞裂紋擴(kuò)展和壽命特性。疲勞是材料在受到交變應(yīng)力或荷載下，在循環(huán)加載下出現(xiàn)裂紋并逐漸擴(kuò)展的現(xiàn)象。因此，鈦合金的疲勞性能涉及其抵抗疲勞裂紋擴(kuò)展的能力以及耐久性。

通過(guò)表面改性和完整性的優(yōu)化，可以降低鈦合金在疲勞加載下發(fā)生裂紋、斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)其疲勞壽命；改善鈦合金的抗裂紋擴(kuò)展能力，抑制裂紋的形成和擴(kuò)展；提高鈦合金的摩擦和磨損性能，減少摩擦損失和表面磨損；增強(qiáng)鈦合金的抗腐蝕性能。

1 、表面改性的特征

表面改性通常是針對(duì)材料的表面層進(jìn)行操作，與全體材料的體積改性相比，表面改性更加局部化，只影響材料的表面層，保持了材料的基本特性，降低了成本。

表面改性涵蓋了多種不同的技術(shù)和方法，如涂層、化學(xué)處理、表面合金化、等離子體處理等。每種方法都有其特定的工藝，可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求選擇合適的改性方式。

表面改性可以根據(jù)特定應(yīng)用的要求進(jìn)行個(gè)性化定制，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)母男苑椒ê蛥?shù)，可以調(diào)整材料的表面硬度、摩擦性能、耐磨性、耐腐蝕性等特性，滿足不同工程和應(yīng)用領(lǐng)域的需求。通過(guò)適當(dāng)?shù)谋砻娓男裕梢燥@著提升材料的綜合性能。

例如，添加耐腐蝕涂層可以提高材料的抗腐蝕性能；引入壓縮應(yīng)力或阻止裂紋擴(kuò)展的方法，可以增強(qiáng)材料的抗疲勞性能。由于表面與體積所處環(huán)境和條件的不同，材料的表面特性與體積特性可能存在差異。表面改性可以針對(duì)表面特有的問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化，如提高耐磨性、減少摩擦損失等，通過(guò)最大化材料表面的影響，改善整體材料性能。

2、 表面完整性對(duì)鈦合金疲勞性能的影響

鈦合金表面的高平整度可以減少應(yīng)力集中，降低微動(dòng)疲勞加載下的應(yīng)力濃集現(xiàn)象，從而延緩裂紋的起始和擴(kuò)展。平整的表面能夠提供均勻的載荷分布，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象，有助于提高鈦合金的疲勞壽命。表面完整性（圖 1）對(duì)鈦合金疲勞性能的影響是多方面的，涉及表面平整度、表面缺陷、表面處理、表面潤(rùn)滑等。通過(guò)優(yōu)化表面完整性，可以提高鈦合金的抗疲勞性能和疲勞壽命。

（1）機(jī)加工表面完整性對(duì)新型高強(qiáng)度鈦合金疲勞行為的影響

機(jī)加工過(guò)程中，加工刀具與工件表面的相互作用會(huì)造成微觀凹凸和劃痕，導(dǎo)致表面粗糙度的增加。這些表面粗糙度會(huì)引起應(yīng)力集中，降低鈦合金的疲勞壽命。

由于切削力和變形引起的熱效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致鈦合金表面殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。這些殘余應(yīng)力可能成為裂紋起始點(diǎn)，并且在疲勞加載下會(huì)加速裂紋擴(kuò)展。鈦合金的表面可能發(fā)生相變、晶粒尺寸變化、顯微組織變化等。這些表面材質(zhì)改變會(huì)導(dǎo)致鈦合金的力學(xué)性能和疲勞行為發(fā)生變化。切削液、鐵粉等可能黏附在鈦合金表面，形成污染和缺陷，影響疲勞壽命[1]。

（2）噴丸強(qiáng)化與表面完整性對(duì)新型高強(qiáng)度鈦合金疲勞行為影響

噴丸是一種常用的表面處理方法（圖 2），通過(guò)在鈦合金表面噴射高速流動(dòng)的磨料顆粒，可以改變表面的形貌及物理性質(zhì)。噴丸強(qiáng)化可以消除表面缺陷和殘余應(yīng)力，提高鈦合金的疲勞壽命。噴丸會(huì)在表面產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，增加鈦合金的抗裂紋擴(kuò)展能力，延緩裂紋的形成和擴(kuò)展。表面完整性是指鈦合金材料在機(jī)加工等過(guò)程中的無(wú)裂紋、無(wú)缺陷和無(wú)殘余應(yīng)力的狀態(tài)。良好的表面完整性可以減少應(yīng)力集中和裂紋的起始點(diǎn)，提高鈦合金的疲勞壽命。相反，表面缺陷、殘余應(yīng)力和粗糙度等不良表面完整性因素會(huì)降低鈦合金的疲勞性能。噴 丸強(qiáng)化可以通過(guò)調(diào)控噴丸參數(shù)，如噴丸材料、噴丸劑量、噴丸速度等，來(lái)控制噴丸后的殘余應(yīng)力分布。適當(dāng)?shù)臍堄鄳?yīng)力分布可以提高鈦合金的抗疲勞性能。通常，產(chǎn)生壓縮應(yīng)力的噴丸強(qiáng)化可以阻止裂紋的擴(kuò)展，降低疲勞壽命的衰減速率[2]。

（3）噴砂、噴丸與 HVOF 涂層復(fù)合處理對(duì)新型高強(qiáng)度鈦合金疲勞行為的影響

噴砂、噴丸和 HVOF 涂層過(guò)程中，高速顆粒的沖擊作用能夠消除表面缺陷并形成壓縮應(yīng)力區(qū)域。這些壓縮應(yīng)力可以增加鈦合金材料的抗裂紋擴(kuò)展能力，延緩裂紋的形成和擴(kuò)展，提高疲勞壽命。噴砂、噴丸和 HVOF涂層會(huì)改善表面的質(zhì)量和粗糙度，減少表面缺陷和細(xì)微裂紋的存在，有助于降低應(yīng)力集中的程度，提高鈦合金的抗疲勞性能。HVOF 涂層通常具有優(yōu)異的耐腐蝕性能和磨損抗性，能夠有效保護(hù)鈦合金表面不受外界環(huán)境的侵蝕。這些涂層的保護(hù)作用有助于延長(zhǎng)鈦合金的使用壽命，在疲勞加載下也能起到一定的緩解應(yīng)力作 用。通過(guò)噴砂、噴丸和 HVOF 涂層的復(fù)合處理，可以在鈦合金表面形成具有厚度的保護(hù)層和良好的表面完整性。這種復(fù)合處理能夠綜合發(fā)揮多種增強(qiáng)疲勞性能的機(jī)制，包括增加表面的硬度、改善材料的耐久性、消除缺陷和改變殘余應(yīng)力分布等[3]。

（4）離子增強(qiáng)磁控濺射固體潤(rùn)滑膜層及其完整性對(duì)鈦合金微動(dòng)疲勞行為的影響

IBEMSLC 是一種通過(guò)離子增強(qiáng)磁控濺射技術(shù)制備的固體潤(rùn)滑膜層，其具有優(yōu)異的潤(rùn)滑性能和耐磨損性能。該膜層可以降低鈦合金表面的摩擦系數(shù)和接觸磨損，減少微動(dòng)疲勞時(shí)的摩擦功耗和磨損損失。固體潤(rùn)滑膜層的完整性對(duì)其潤(rùn)滑性能和疲勞行為具有重要影響，完整的膜層可以提供有效的摩擦和磨損保護(hù)，減少表面缺陷和裂紋的形成。一旦膜層出現(xiàn)損傷或破裂，表面裸露的鈦合金將容易受到微動(dòng)疲勞引起的微裂紋擴(kuò)展。

在制備固體潤(rùn)滑膜層的過(guò)程中，離子增強(qiáng)磁控濺射技術(shù)可以產(chǎn)生一定的殘余應(yīng)力。適當(dāng)?shù)臍堄鄳?yīng)力分布可以延緩微動(dòng)疲勞中的裂紋擴(kuò)展，提高鈦合金的耐疲勞性能，而過(guò)高的殘余應(yīng)力可能導(dǎo)致膜層脫落或裂紋的形成。針對(duì)鈦合金微動(dòng)疲勞行為的評(píng)估，需要進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)并對(duì)膜層進(jìn)行性能測(cè)試和表征。常見(jiàn)的試驗(yàn)方法微動(dòng)疲勞實(shí)驗(yàn)和表面形貌觀察。通過(guò)分析產(chǎn)生的疲勞裂紋的發(fā)展和膜層的磨損情況，可以評(píng)估固體潤(rùn)滑膜層及其完整性對(duì)鈦合金微動(dòng)疲勞行為的影響[4]。

3、 降低表面改性與完整性對(duì)鈦合金疲勞性能影響的有效途徑

（1）降低機(jī)加工表面完整性對(duì)新型高強(qiáng)度鈦合金疲勞行為影響的有效途徑

通過(guò)優(yōu)化切削速度、進(jìn)給速度和切削深度等參數(shù)、制定表面完整性評(píng)定方案（表 1），可以減少機(jī)加工過(guò)程中的熱影響和塑性變形，改善表面完整性，并減少表面缺陷的產(chǎn)生。采用表面精加工技術(shù)，如研磨、拋光和超精加工等，可以進(jìn)一步提高表面的光潔度和平整度，減少表面粗糙度和微觀缺陷，提高材料的疲勞強(qiáng)度和抗疲勞裂紋擴(kuò)展性能。表面噴丸處理也是一種有效的改善表面完整性的方法。噴丸處理可以通過(guò)物理沖擊去除表面缺陷，并增加表面壓縮應(yīng)力，提高材料的抗疲勞性能。適當(dāng)?shù)谋砻婊瘜W(xué)處理可去除表面氧化物和其 他雜質(zhì)，提高表面純凈度，改善耐腐蝕性能，并間接提高疲勞性能[5]。

（2）降低噴丸強(qiáng)化與表面完整性對(duì)新型高強(qiáng)度鈦合金疲勞行為影響的有效途徑

通過(guò)高速噴射顆粒對(duì)鈦合金表面進(jìn)行沖擊，可以去除表面缺陷并引入壓縮應(yīng)力。這種壓縮應(yīng)力可以有效抵抗疲勞裂紋的擴(kuò)展，并提高材料的抗疲勞性能。優(yōu)化噴丸參數(shù)是關(guān)鍵。選擇合適的噴丸粒徑、噴丸壓力和噴丸時(shí)間等參數(shù)，可以控制噴丸沖擊的效果。適當(dāng)?shù)臎_擊能夠去除表面裂紋和缺陷，而過(guò)度沖擊可能導(dǎo)致材料變形或表面粗糙度增加。在優(yōu)化噴丸參數(shù)時(shí)，需將控制過(guò)量沖擊和塑性變形的程度納入考慮。噴丸強(qiáng)化后的表面完整性也是關(guān)鍵因素。較低的表面粗糙度和精確的表面形貌有助于減少應(yīng)力集中和裂紋萌生的可能性。因此，在噴丸強(qiáng)化后需進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚恚鐠伖饣驒C(jī)械研磨，進(jìn)一步改善表面形貌和完整性[6]。

（3）降低噴砂、噴丸與 HVOF 涂層復(fù)合處理對(duì)新型高強(qiáng)度鈦合金疲勞行為影響的有效途徑

噴砂和噴丸處理可以去除表面缺陷和氧化層，改善表面質(zhì)量，用于去除宏觀和微觀缺陷，而噴丸則能夠引入壓縮應(yīng)力和冷變形，增強(qiáng)材料的表面硬度和抗疲勞性能；HVOF 涂層技術(shù)可以在鈦合金表面形成高質(zhì)量的涂層，提供額外的保護(hù)和強(qiáng)化層。這些涂層通常具有較高的硬度、抗磨損性和良好的耐腐蝕性能，有效防止表面微裂紋的擴(kuò)展，提供更高的抗疲勞裂紋擴(kuò)展閾值；在涂層與基材界面上也會(huì)產(chǎn)生壓應(yīng)力，抑制裂紋的擴(kuò)展；噴砂、噴丸和 HVOF 涂層的復(fù)合處理可實(shí)現(xiàn)多重效益疊加，提供更好的基底表面狀態(tài)，提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度和附著力，增加基材的變形能力，在涂層和基材之間提供更好的緩沖效果，減少應(yīng)力集中[7]。

（4）降低離子增強(qiáng)磁控濺射固體潤(rùn)滑膜層及其完整性對(duì)鈦合金微動(dòng)疲勞行為影響的有效途徑

常見(jiàn)的固體潤(rùn)滑膜層材料包括 MoS2、WS2 和Graphite 等，具有良好的潤(rùn)滑性能和耐磨損性。通過(guò)調(diào)節(jié)離子增強(qiáng)磁控濺射工藝參數(shù)，如氣氛組成、工藝溫度和離子能量等，可以控制固體潤(rùn)滑膜層的組成、致密性和結(jié)合強(qiáng)度。優(yōu)化工藝參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)膜層的高質(zhì)量沉積，并提高潤(rùn)滑膜層與基材之間的附著力。表面預(yù)處理也是影響固體潤(rùn)滑膜層完整性的重要因素，采用適當(dāng)?shù)谋砻鏈?zhǔn)備方法，如超聲波清洗和粗糙化處理，可以去除氧化層和污染物，提供更好的潤(rùn)滑膜層附著表面。

保證潤(rùn)滑膜層的完整性至關(guān)重要。密封潤(rùn)滑膜層表面，如應(yīng)用潤(rùn)滑油或進(jìn)行膜層封閉處理，可以減少凹槽和微缺陷的產(chǎn)生，提高表面平整度和表面質(zhì)量，改善潤(rùn)滑效果并提高鈦合金的微動(dòng)疲勞性能[8]。

4、 研究結(jié)果與結(jié)論

4.1 研究結(jié)果

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，我們獲得了不同表面改性和完整性處理對(duì)鈦合金疲勞性能的影響結(jié)果。離子增強(qiáng)磁控濺射固體潤(rùn)滑膜層及其完整性處理，明顯提高了鈦合金的疲勞壽命，加工表面完整性對(duì)新型高強(qiáng)度鈦合金疲勞行為的影響呈明顯增加狀態(tài)。噴丸強(qiáng)化處理有效地提升了鈦合金的表面完整性，減少了裂紋的形成和擴(kuò)展，延長(zhǎng)了疲勞壽命。而噴砂、噴丸與 HVOF 涂層復(fù)合處理對(duì)疲勞性能的改善效果相對(duì)較小，疲勞壽命僅略有提升[9]。

4.2 研究結(jié)論

通過(guò)對(duì)表面改性和完整性處理的影響分析，我們得出以下結(jié)論：離子增強(qiáng)磁控濺射固體潤(rùn)滑膜層和機(jī)加工是有效的表面改性方法，能夠顯著提高鈦合金的疲勞壽命，適用于提高其疲勞性能。噴丸強(qiáng)化處理是一種可行的完整性改進(jìn)方法，有效地改善了鈦合金的表面完整性，降低了疲勞裂紋的形成和擴(kuò)展，延長(zhǎng)了疲勞壽命。然而，噴砂、噴丸與 HVOF 涂層復(fù)合處理雖然對(duì)疲勞性能有一定影響，但其改善效果相對(duì)有限。因此，在鈦合金的工程應(yīng)用中，我們應(yīng)根據(jù)具體情況選擇適當(dāng)?shù)谋砻娓男院屯暾蕴幚矸椒ǎ瑑?yōu)化疲勞性能，提高 材料的可靠性和耐久性[10]。

5、 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)表面改性技術(shù)，可以增加鈦合金的表面硬度、耐磨性和抗腐蝕性，降低疲勞損傷的發(fā)生概率。優(yōu)化鈦合金的完整性，能夠減少內(nèi)部缺陷和殘余應(yīng)力，提升其疲勞性能。盡管目前已取得了一些重要的研究成果，但仍有更多的工作需要進(jìn)行，進(jìn)一步提高鈦合金的疲勞性能，滿足不同領(lǐng)域?qū)Σ牧蠌?qiáng)度和可靠性的需求。

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作者簡(jiǎn)介：宋新華（1980—）男，土家族，湖南省張家界人，研究生，張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院專業(yè)教師。

研究方向：研究方向改為機(jī)械工程，抗疲勞制造技術(shù)。

基金項(xiàng)目：湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目“鈦合金抗疲勞制造技術(shù)表面完整性和疲勞性能研究”，項(xiàng)目編號(hào)：21C1545。

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