近年来，钛及钛合金材料，凭借其塑韧性好、比强度高、 耐腐蚀性能好以及抗冲击性能好被广泛应用于航空航天等领域。 目前航空飞行器的机身、机翼、尾翼、发动机叶片和飞机起落架等主要部分都由钛合金材料制造[1-2]。随着我国航空工业的发展，对飞机飞行速度以及安全飞行时间要求提高， 因此飞机相关结构会在更加恶劣的工况下运行， 这就对钛合金的综合性能提出了更高要求。

纳米晶体材料具备小晶粒、 高界面密度的微观组织， 所以表现出优异的物化性能。 目前制备纳米材料的技术复杂、成本高昂，因此限制了纳米晶材料在工业领域的广泛应用。 由于材料的失效（断裂、腐蚀和磨损等）一般都发生在材料的表面，而与常规粗晶材料相比纳米晶材料具备优良的综合性能[3-4]。 表面纳米化（surfacenanocrystallization，SNC）技术通过物理或者化学方法在材料表层制备纳米级晶粒或颗粒强化层，可以改善材料表面性能[5]，因此在工业应用上价值重大。

国内外研究学者主要通过表面涂层或沉积法、表面自纳米化法以及混合表面纳米化法 3 种方式来实现材料表面的纳米化[6]。 研究发现：通过表面涂层或沉积法可以改善材料表面的耐腐蚀性、硬度、导电性以及疏水性等特性。 但是由于此类方法涂层或沉积层与基体材料之间成分差异较大， 因此纳米层与基体材料之间会有结合面存在， 会影响纳米化的强化效果。 表面自纳米化法主要同通过非平衡处理法对材料表面进行加工，依托于材料自身变形，实现了材料表面的纳米化。 混合表面纳米化通过将上述两种方法相融合来实现材料表面的纳米化， 但是这种方法工艺复杂、对生产设备要求较高[7]。 上述 3 种方法相较之下，表面自纳米化具备不存在明显界面、处理手段简单等特点更具应用前景。因此，本文对近年来钛及其合金的表面自纳米化技术研究进行了分析归纳，并对未来相关技术的发展方向提出了建议。

1、基于表面机械研磨的表面自纳米化技术

表面机械研磨法是最早被应用于材料表面纳米化的方法，其处理方式见文献[9]。 通过振动器驱动在密闭容器中的弹丸做高速振动， 并使弹丸以不同角度撞击顶部试样，随着撞击次数的累计，材料表面产生的塑性变形促使晶粒逐渐细化。 卢柯课题组[5,8]通过表面机械研磨法在工业纯钛上形成了约 50nm厚的纳米结构表面层， 并通过扫描电镜和透射电镜对纳米化层的形成过程进行了分析讨论， 表明利用表面机械研磨工艺是可以在工业纯钛上制备纳米层的。 何晓梅[9]通过表面机械研磨法处理了工业纯钛，获得了表面晶粒平均尺寸约为 17 nm 的纳米层，并且发现该纳米层是由孪生和滑移联合作用产生的，处理后的试样表面组织和硬度具有较好的性能。 张聪惠[10]通过表面机械研磨技术处理了工业纯钛，结果发现：经过处理的试样在相同的腐蚀环境下，表现出来更高的耐腐蚀性。 Alikhani 等[11]也对工业纯钛进行了表面机械研磨处理， 可在钛合金表面制备12.2nm 后的纳米层，可显著提高表面硬度，并提高材料表面耐磨性能。

相关人员的研究发现： 利用机械研磨法处理的材料表面粗糙度比较大， 并且所能获得的纳米层也较薄， 这就造成此种方法只适用与薄板材料的加工处理中。因此，为了提高纳米化程度，克服上述困难，相关人员提出了表面机械碾磨法。

2、基于表面机械碾磨的表面自纳米化技术

表面机械碾磨法是由 Liu 等[12]研究出的新型金属表面自纳米化技术，其工作原理见文献[2]。 圆柱形试样以 v1 的速度相对与半球形 WC/Co 刀具旋转，刀具以 v2 的速度沿代加工试样轴向运动，刀具尖端在预设压力的作用下与试样表面接触， 接触面的摩擦力产生了塑性变形区域。Yin 等[13]通过对纯钛进行表面机械碾磨处理， 制备了由表及里的梯度纳米晶，与未处理试样相较强度有所提高，梯度纳米晶具备更高的加工硬化指数。 炊鹏飞[14]采用表面机械碾磨技术对纯钛表面进行了纳米化处理，研究发现：最表层的晶粒尺寸可被细化到 22nm 左右， 试样表面显微硬度随处理时间的增加而提高， 理想状态下可比原始试样硬度提高 74%。

此外， 研究人员依托表面机械碾磨技术提出了表面机械多重碾磨、快速多重旋转碾压等多种技术。

表面机械碾磨可以实现圆柱形棒料的表面纳米化，且加工后试样表面粗糙度较低， 但是这类技术目前应用场景受限，尚未进行大规模的使用。

3、基于高能喷丸的表面自纳米化技术

喷丸技术在工业生产中十分常见， 主要通过发射大量高速弹丸冲击材料表面，使其产生塑性变形、改变表层内应力以提高材料的表面性能。 传统的喷丸方法对钛合金表面进行处理时，由于处理时间短、表面覆盖率低，难以获得表层纳米组织[15]。 因此相关人员以传统喷丸技术为基础， 通过调整相关工艺参数，提高能量输入幅度，提出了高能喷丸技术，其原理图见文献[7]。 杨勇军[16]和杨磊[17]用高能喷丸法对工业纯钛进行了处理， 发现细化后的表层晶粒随机分布，平均晶粒尺寸为 20～40nm，表面粗造度随喷丸时间的增加而增加直至趋于稳定， 试样疲劳极限与原材料相比提高到 34%，远高于喷丸处理的 9%。

韩靖等[18]采用高能喷丸法对 TA17 钛合金棒材进行了处理，有 35nm 厚的纳米晶在喷丸表面生成，并对晶粒细化机制进行了研究分析。 张聪慧[19]等对 TC4钛合金表面进行了高能喷丸纳米化处理， 并对处理后试样的组织和性能进行了研究， 研究发现此类纳米化板条状位错强塑性变形产生的晶粒细化， 且晶粒细化程度与喷丸设备与加工表面距离呈正相关，表面硬度也会随加工时间的增加而提高。

高能喷丸法所用工艺设备较为简单， 可在传统喷丸设备上进行改造和提升，具备操作简单、加工效率高， 应用范围广等特点， 具备较为广阔的应用前景。目前，有很多学者通过融合高能喷丸和其他表面处理技术[20]，可以明显提升材料的表面性能。

4、基于超声冲击的表面自纳米化技术

超声冲击技术[21]（也称超声喷丸）是借助超声波经中间机构传递至冲击终端(可用弹丸、冲击头或者撞针做冲击终端)，巨大的冲击载荷，会促使金属材料表层晶粒破碎，产生高密度位错，从而实现材料表面的纳米化，其加工原理见文献[21]。 Kumar 等[22]用直径为 准3mm 的淬火钢球做冲击头， 超声频率 29kHz，处理时长为 2 min，在 β 钛合金表面实现了纳米化，原始晶粒尺寸从 198μm 细化到约 21nm 的等轴纳米晶, 纳米层厚度约为 60μm 层。 朱立华[23-24]通过对纯钛板材表面进行超声冲击试验发现， 在纯钛表面形成了纳米晶-非晶复合层， 并且发现不同的超声冲击参数对复合层的厚度影响较大， 但对晶粒尺寸影响较小。 此外他还对超声冲击的工艺参数与纯钛表面粗造度进行了研究，发现冲击弹丸直径、冲击振幅的增大， 与工件表面距离的减小都会造成试样表面粗糙度的增大。王锦[25]用超声冲击技术处理了TC4 钛合金， 在 TC4 合金表面制备了纳米晶层，同时发现随冲击道次增加，组织中的 β 相晶粒逐步消失，α 相晶粒逐次细化，并且材料表面的残余应力和显微硬度呈先迅速增加，然后趋于稳定。

近年来超声冲击技术凭借设备的价格低廉、能耗低，加工后试样表面粗造度低、表面残余压应力值较大，可操作性强，工作环境绿色环保等优势受到了研究人员的高度关注。 但是由于超声冲击过程较为复杂，想要取得最佳的处理效果，就需要综合考虑各个工艺参数之间的影响，来优化工艺参数[26]。 此外，由于超声冲击技术与传统的喷丸技术差异较大，难以建立准确可靠的仿真模型， 这类领域目前空白依旧很大。

5、基于超音速微粒轰击的表面自纳米化技术

超音速微粒轰击法[27]利用了气-固双相流原理，超音速气流带动大量硬质微粒轰击材料表面， 极大的动能加上重复轰击，使材料表面发生剧塑性变形，并不断细化晶粒至纳米量级， 其加工装置及过程见文献[27]。 Chuan [28]采用超音速微粒轰击法处理了TC17 钛合金，并在表面形成了纳米级晶粒。 结果表明，随着处理时间的延长，纳米层厚度增加，纳米晶体尺寸减小。 晶粒直径可达 准16.3nm， 经过 30min的轰击处理后其取向呈随机分布。 处理后试样的抗拉强度和屈服强度有所提高。 Ge 等[29]对纯钛进行了超音速微粒轰击表面处理。 处理结果显示， 经处理后的试样表层形成了晶粒尺寸 20nm 左右的等轴晶粒，对纳米化的试样进行 450℃以下的热处理时，表层纳米晶尺寸在 100nm 以下，因此表明该试样具有较好的热稳定性。 当退火温度高于 450℃时，晶粒显著增大（100nm）。 Xia 等[30]采用超音速微粒轰击技术制备了医用 Ti6Al4V 盘的纳米结构表面。 武永丽等[31]对 TC11 钛合金进行了超音速微粒轰击表面纳米化处理， 结果表明处理后的试样表面产生了晶粒尺寸为 5～15nm 左右的纳米晶， 其厚度约为 30～50%μm。 处理后的试样在相同的加载条件下，疲劳寿命提高了 8～10 倍。 处理后的材料的疲劳断口由处理之前的表层转移到了次表层， 并且加载后的表层晶粒尺寸仍为纳米级。

超音速微粒轰击法采用压缩气体做动力源，携带固体微粒以类似热喷涂的方式工作， 所用固体微粒可以回收利用，所以此技术具备成本低廉的优势。

除此外其表面纳米化效率较高、便于操作，可对大尺寸平面进行加工，适用与大规模工业化生产。

6、基于激光冲击的表面自纳米化技术

激光冲击技术[32]（又称激光喷丸技术）用大功率激光脉冲照射材料表面， 材料表面的吸收层受热汽化产生的等离子体爆炸， 会在材料表面产生高压冲击波，作用于材料表层并在其中产生残余应力，其原理见文献[23]。 Che 等[33]采用激光冲击处理 Ti-6Al-4V 钛合金的表面，通过调控加工参数可以实现晶粒的纳米化，提高了材料表面的耐磨性，同时表面也不会引入其他杂质。 Zhou 等[34]研究了 TC6 钛合金在多重激光冲击过程下的产生超高应变率（>106s-1）响应的变形机理。 当 1000MW 激光照射材料时，产生高压等离子体激波，引起材料的超高应变率响应。一次冲击即可在表面形成纳米晶， 随冲击时间的增加可为位错运动提供更长的时间和更多的能量， 使晶粒细化为更小的尺寸，并促使其均匀分布。通过单次激光冲击喷丸处理， 即可提高 TC6 钛合金的硬度，形成 200μm 厚的剧塑性变形层。 增加冲击时间可以提高硬度和有效深度。 Lu 等[35]研究了工业纯钛在多次激光冲击下的微观结构响应和晶粒细分过程。 分析了激光冲击波对六角形（hcp）材料的晶粒细化机理。实验结果表明，多重激光冲击使工业纯钛表面产生了平均尺寸小于 50nm 的均匀等轴晶粒。 纯钛近多次冲击的晶粒细化机制主要存在两种细化模式：

表层粗晶在冲击的作用下被机械孪晶分割为亚微米级的等轴位错晶胞；随着冲击的持续，应变增加，位错墙击穿分段片层进一步分割晶粒， 使晶粒细化至纳米量级。 杨进德等[36]用 YAG 短脉冲激光器对 Ti-6Al-4V 合金进行了表面纳米化处理，研究发现随冲击次数的增加，晶粒尺寸减小直至生成纳米晶粒；当冲击达 5 次后， 纳米晶粒尺寸不在随冲击次数的增加而明显降低， 此时所获得纳米晶粒尺寸在 50 ～130nm 范围内， 表面晶粒纳米化度到达渐饱和态，并且试样表面晶粒分布均匀，硬度也较高。

激光冲击技术具有高压、 高能和超高应变率的加工特点， 在加工过程中对工件几乎没有热效应。其在材料表面产生的残余压应力约为传统喷丸的10.4 倍[37]。 但是，由于国内激光器制造技术不够成熟，设备造价高昂，所以激光冲击技术目前多在实验阶段应用。此外，当前的冲击工艺前后预处理过程繁杂、设备的光学系统复杂且所需的辅助装置过多，不便操作，这是阻碍它大规模推广应用的主要原因，因此需要对现有技术进行优化革新。

7、结语及展望

上述研究成果充分反映了国内外研究人员在钛及钛合金表面自纳米化领域已经取得较为丰硕的成果，表面机械研磨所用设备简单，但加工效率较低，所获纳米层较薄且加工后试样表面粗糙度很大；表面机械碾磨技术可以实现棒料的高质量纳米化，但是其只适合处理棒状材料；高能喷丸技术成本低廉，操作简单；超声冲击技术处理的试样表面质量较高，效率也较高，但不适合于大型零件的加工处理；超音速微粒轰击技术成本低廉，表面纳米化效率较高，适用与大规模工业化生产； 激光冲击技术易于进行自动化、处理后试样表面质量高，但设备造价高昂。 上述工艺在相应的条件下都可实现材料表面的自纳米化，并且研究表明：表面纳米化可显著提高材料表面性能。 未来这方面的研究可以从以下方面开展：

（1） 通过表面自纳米化所获得的表面纳米层较薄，厚度在数百微米以内，对材料整体性能提升不够显著， 后续可以研究深表面纳米结构层对钛合金性能的综合影响。

（2） 可以将其他如表面涂层、 表面沉积等表面强化技术与自纳米化工艺相融合， 发展混合纳米化技术，提高处理效率、优化材料性能。

（3） 现阶段针对钛合金表面自纳米化的模拟仿真研究较少，因此可与力学、材料学等多学科融合，通过仿真模型建立相关工艺参数与纳米结构梯度的对应关系，指导工程实践发展。

（4） 钛合金在航空发动机中被广泛应用， 研究其在高温、高压、振动等复杂工况下的疲劳、磨损与腐蚀行为十分重要， 需要进行更为深入的表面纳米化研究。

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