利用元素N、0、C及B對(duì)鈦合金反應(yīng)而形成堅(jiān)硬的表面和擴(kuò)散層，從而使基體材料具有較好的耐磨蝕性能。在金屬表面上由于和相應(yīng)元素進(jìn)行反應(yīng)而形成化合物，但在相鄰接的金屬層中，通過(guò)元素在基體金屬表面的不同溶解度及擴(kuò)散速度就可能形成具有不同厚度層的硬化區(qū)。

　　滲氮是一種有效的強(qiáng)化方法，在鈦合金表面進(jìn)行滲氮處理可以在表面形成堅(jiān)硬的氮化鈦，有效提高表面硬度，增加耐磨性。但是，由于氮化鈦的生成熱超過(guò)氧化鈦的生成熱，因此必須在完全脫氧的條件下進(jìn)行滲氮處理。研究發(fā)現(xiàn)，鈦和氮隨時(shí)間按照拋物線規(guī)律進(jìn)行表面反應(yīng)，其滲氮速度隨著滲氮時(shí)間的增加而降低。這是因?yàn)榈谕鈱拥牡佒械臄U(kuò)散速度小于下面的鈦固溶體區(qū)的擴(kuò)散速度，因此不能形成很厚的氮化層。

　　通過(guò)對(duì)鈦板及鈦合金的滲氮研究發(fā)現(xiàn)，滲氮層的厚度隨著溫度的升高而增加，并且在大約850℃溫度條件下經(jīng)過(guò)16-24h之后達(dá)到具有HV超過(guò)3000MPa硬度，厚度為0.025-0.1mm的滲氮層，再延長(zhǎng)滲氮時(shí)間基本上不會(huì)帶來(lái)硬化深度的增加。另外，較高的溫度會(huì)導(dǎo)致基體材料晶粒長(zhǎng)大，并且由于受缺口應(yīng)力集中及內(nèi)應(yīng)力作用的硬化邊緣區(qū)引起可塑性降低。

　　在滲氮時(shí)表面可能形成不同的區(qū)域，如果氧含量不高，形成由氮化鈦組成的外區(qū)，具有金黃色并且硬度為17000MPa，但這種氮化層很薄，約為5pm。在較低的氮化溫度時(shí)或者繼續(xù)進(jìn)行高溫加熱時(shí)，氮就完全溶解到金屬表面的鈦固溶體里去了，氮化鈦層就不再增加或者在某個(gè)熱處理工序中消失。因此，在發(fā)現(xiàn)氮化鈦層時(shí)，a鈦固溶體已經(jīng)溶解到氮中去了，這層也具有很高的硬度，但是心部硬度降低。在雙相鈦合金滲氮條件下，由于氮在a鈦固溶體和卩鈦固溶體中的溶解度及擴(kuò)散速度不同而使其擴(kuò)散區(qū)的層厚波動(dòng)。在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%-100%NaCN的氰鹽浴槽中進(jìn)行鈦的表面硬化處理時(shí)，于800℃條件下經(jīng)過(guò)2h的表面硬化可以達(dá)到HV接近6000MPa(約HRC60)。在用滲氮鈦合金進(jìn)行的磨損實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，與沒(méi)有進(jìn)行滲氮處理的鈦合金相比改進(jìn)了其磨損特征，在通常的實(shí)驗(yàn)條件及潤(rùn)滑條件下，滲氮鈦合金具有滿意的摩擦學(xué)性能。但是，在劇烈苛刻條件下，很薄的滲氮層可能隨時(shí)被剝蝕掉，或者在壓應(yīng)力或沖擊應(yīng)力作用下表層剝落。由于具有足夠厚度的滲氮層才能有效地改進(jìn)基體材料的耐磨損性能，因此如何改進(jìn)滲氮工藝和滲氮方法，提高滲氮層厚度依然是鈦合金滲氮需要進(jìn)一步研究的重要課題。

　　滲碳熱處理是機(jī)械制造工業(yè)中歷史最悠久、應(yīng)用最廣泛的化學(xué)熱處理方法，在鋼鐵熱處理理論與實(shí)踐中占有十分重要的地位。傳統(tǒng)的滲碳技術(shù)用于提高鋼鐵材料的表面強(qiáng)度，早已被普遍使用并獲得成功。綜觀世界工業(yè)技術(shù)發(fā)展史，鋼鐵等材料的滲碳技術(shù)的發(fā)展取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，由最早的固體滲碳發(fā)展為氣體滲碳，又發(fā)展為真空滲碳，又在向等離子滲碳發(fā)展。其中鋼鐵等材料氣體滲碳的發(fā)展經(jīng)歷過(guò)兩次飛躍：一次是從爐氣碳勢(shì)的不可控到爐氣碳勢(shì)可控，即通常所說(shuō)的可控氣氛滲碳；另一次是爐氣碳勢(shì)可控到滲碳件表面碳濃度和滲層中的碳濃度分布可控。與鋼鐵材料不同，鈦和碳能形成具有較高硬度的穩(wěn)定的碳化物，因此對(duì)于鈦合金表面進(jìn)行滲碳處理可以有效提高鈦合金表面性能。在鈦合金表面滲碳時(shí)，β鈦和碳之間的碳化層的增長(zhǎng)是由碳化層中的鈦的擴(kuò)散速度來(lái)決定。碳在《鈦中的溶解度小，在850℃時(shí)總計(jì)為0.3%，而在600℃時(shí)大約降到0.1%。由于碳在鈦中的溶解度小，所以基本上只能通過(guò)碳化鈦層及其沉積層來(lái)達(dá)到表面硬化的目的。在脫氧或者脫碳條件下，在木炭中滲碳時(shí)可能形成一層薄的碳化鈦層，其硬度為32000MPa,符合碳化鈦的硬度。而滲碳層的深度大

　　于在同等條件下滲氮層的深度。采用氣體滲碳劑可能形成特別硬而黏結(jié)性能良好的碳化鈦硬化層。同時(shí)，在950℃-1020℃溫度條件下形成的硬化層在50-200之間。隨著厚度的增加，碳化鈦層變得比較脆，并且趨于剝落。為了避免由于氣體分解而使碳的夾雜物侵入碳化鈦層，應(yīng)采用大約體積分?jǐn)?shù)為2%的滲碳?xì)怏w在惰性氣體中進(jìn)行氣體滲碳。

　　由于氣體滲碳可能帶來(lái)氫脆，許多研究人員開(kāi)始轉(zhuǎn)向了鈦合金的無(wú)氫滲碳。在國(guó)際上，對(duì)于鈦合金表面的滲碳研究主要集中在等離子滲碳上，研究發(fā)現(xiàn)，在對(duì)鈦合金等離子擴(kuò)散處理中使用氮或碳可以提高材料的承載性能。等離子擴(kuò)散處理后在鈦盤管及鈦合金表面形成由氮化物和碳化物組成的混合擴(kuò)散區(qū)域，處理后在鈦合金表面到內(nèi)部形成硬度的梯度分布，而在純氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)行等離子滲氮后可以有效避免氫脆現(xiàn)象。

　　研究鈦合金滲碳的機(jī)理，增大材料的滲碳層厚度和擴(kuò)散影響層，提高材料的表面硬度和耐磨性，防止氫脆，具有重要的意義。