近年來，鈦及鈦合金材料，憑借其塑韌性好、比強度高、 耐腐蝕性能好以及抗沖擊性能好被廣泛應用于航空航天等領域。 目前航空飛行器的機身、機翼、尾翼、發動機葉片和飛機起落架等主要部分都由鈦合金材料制造[1-2]。隨著我國航空工業的發展，對飛機飛行速度以及安全飛行時間要求提高， 因此飛機相關結構會在更加惡劣的工況下運行， 這就對鈦合金的綜合性能提出了更高要求。

納米晶體材料具備小晶粒、 高界面密度的微觀組織， 所以表現出優異的物化性能。 目前制備納米材料的技術復雜、成本高昂，因此限制了納米晶材料在工業領域的廣泛應用。 由于材料的失效（斷裂、腐蝕和磨損等）一般都發生在材料的表面，而與常規粗晶材料相比納米晶材料具備優良的綜合性能[3-4]。 表面納米化（surfacenanocrystallization，SNC）技術通過物理或者化學方法在材料表層制備納米級晶粒或顆粒強化層，可以改善材料表面性能[5]，因此在工業應用上價值重大。

國內外研究學者主要通過表面涂層或沉積法、表面自納米化法以及混合表面納米化法 3 種方式來實現材料表面的納米化[6]。 研究發現：通過表面涂層或沉積法可以改善材料表面的耐腐蝕性、硬度、導電性以及疏水性等特性。 但是由于此類方法涂層或沉積層與基體材料之間成分差異較大， 因此納米層與基體材料之間會有結合面存在， 會影響納米化的強化效果。 表面自納米化法主要同通過非平衡處理法對材料表面進行加工，依托于材料自身變形，實現了材料表面的納米化。 混合表面納米化通過將上述兩種方法相融合來實現材料表面的納米化， 但是這種方法工藝復雜、對生產設備要求較高[7]。 上述 3 種方法相較之下，表面自納米化具備不存在明顯界面、處理手段簡單等特點更具應用前景。因此，本文對近年來鈦及其合金的表面自納米化技術研究進行了分析歸納，并對未來相關技術的發展方向提出了建議。

1、基于表面機械研磨的表面自納米化技術

表面機械研磨法是最早被應用于材料表面納米化的方法，其處理方式見文獻[9]。 通過振動器驅動在密閉容器中的彈丸做高速振動， 并使彈丸以不同角度撞擊頂部試樣，隨著撞擊次數的累計，材料表面產生的塑性變形促使晶粒逐漸細化。 盧柯課題組[5,8]通過表面機械研磨法在工業純鈦上形成了約 50nm厚的納米結構表面層， 并通過掃描電鏡和透射電鏡對納米化層的形成過程進行了分析討論， 表明利用表面機械研磨工藝是可以在工業純鈦上制備納米層的。 何曉梅[9]通過表面機械研磨法處理了工業純鈦，獲得了表面晶粒平均尺寸約為 17 nm 的納米層，并且發現該納米層是由孿生和滑移聯合作用產生的，處理后的試樣表面組織和硬度具有較好的性能。 張聰惠[10]通過表面機械研磨技術處理了工業純鈦，結果發現：經過處理的試樣在相同的腐蝕環境下，表現出來更高的耐腐蝕性。 Alikhani 等[11]也對工業純鈦進行了表面機械研磨處理， 可在鈦合金表面制備12.2nm 后的納米層，可顯著提高表面硬度，并提高材料表面耐磨性能。

相關人員的研究發現： 利用機械研磨法處理的材料表面粗糙度比較大， 并且所能獲得的納米層也較薄， 這就造成此種方法只適用與薄板材料的加工處理中。因此，為了提高納米化程度，克服上述困難，相關人員提出了表面機械碾磨法。

2、基于表面機械碾磨的表面自納米化技術

表面機械碾磨法是由 Liu 等[12]研究出的新型金屬表面自納米化技術，其工作原理見文獻[2]。 圓柱形試樣以 v1 的速度相對與半球形 WC/Co 刀具旋轉，刀具以 v2 的速度沿代加工試樣軸向運動，刀具尖端在預設壓力的作用下與試樣表面接觸， 接觸面的摩擦力產生了塑性變形區域。Yin 等[13]通過對純鈦進行表面機械碾磨處理， 制備了由表及里的梯度納米晶，與未處理試樣相較強度有所提高，梯度納米晶具備更高的加工硬化指數。 炊鵬飛[14]采用表面機械碾磨技術對純鈦表面進行了納米化處理，研究發現：最表層的晶粒尺寸可被細化到 22nm 左右， 試樣表面顯微硬度隨處理時間的增加而提高， 理想狀態下可比原始試樣硬度提高 74%。

此外， 研究人員依托表面機械碾磨技術提出了表面機械多重碾磨、快速多重旋轉碾壓等多種技術。

表面機械碾磨可以實現圓柱形棒料的表面納米化，且加工后試樣表面粗糙度較低， 但是這類技術目前應用場景受限，尚未進行大規模的使用。

3、基于高能噴丸的表面自納米化技術

噴丸技術在工業生產中十分常見， 主要通過發射大量高速彈丸沖擊材料表面，使其產生塑性變形、改變表層內應力以提高材料的表面性能。 傳統的噴丸方法對鈦合金表面進行處理時，由于處理時間短、表面覆蓋率低，難以獲得表層納米組織[15]。 因此相關人員以傳統噴丸技術為基礎， 通過調整相關工藝參數，提高能量輸入幅度，提出了高能噴丸技術，其原理圖見文獻[7]。 楊勇軍[16]和楊磊[17]用高能噴丸法對工業純鈦進行了處理， 發現細化后的表層晶粒隨機分布，平均晶粒尺寸為 20～40nm，表面粗造度隨噴丸時間的增加而增加直至趨于穩定， 試樣疲勞極限與原材料相比提高到 34%，遠高于噴丸處理的 9%。

韓靖等[18]采用高能噴丸法對 TA17 鈦合金棒材進行了處理，有 35nm 厚的納米晶在噴丸表面生成，并對晶粒細化機制進行了研究分析。 張聰慧[19]等對 TC4鈦合金表面進行了高能噴丸納米化處理， 并對處理后試樣的組織和性能進行了研究， 研究發現此類納米化板條狀位錯強塑性變形產生的晶粒細化， 且晶粒細化程度與噴丸設備與加工表面距離呈正相關，表面硬度也會隨加工時間的增加而提高。

高能噴丸法所用工藝設備較為簡單， 可在傳統噴丸設備上進行改造和提升，具備操作簡單、加工效率高， 應用范圍廣等特點， 具備較為廣闊的應用前景。目前，有很多學者通過融合高能噴丸和其他表面處理技術[20]，可以明顯提升材料的表面性能。

4、基于超聲沖擊的表面自納米化技術

超聲沖擊技術[21]（也稱超聲噴丸）是借助超聲波經中間機構傳遞至沖擊終端(可用彈丸、沖擊頭或者撞針做沖擊終端)，巨大的沖擊載荷，會促使金屬材料表層晶粒破碎，產生高密度位錯，從而實現材料表面的納米化，其加工原理見文獻[21]。 Kumar 等[22]用直徑為 準3mm 的淬火鋼球做沖擊頭， 超聲頻率 29kHz，處理時長為 2 min，在 β 鈦合金表面實現了納米化，原始晶粒尺寸從 198μm 細化到約 21nm 的等軸納米晶, 納米層厚度約為 60μm 層。 朱立華[23-24]通過對純鈦板材表面進行超聲沖擊試驗發現， 在純鈦表面形成了納米晶-非晶復合層， 并且發現不同的超聲沖擊參數對復合層的厚度影響較大， 但對晶粒尺寸影響較小。 此外他還對超聲沖擊的工藝參數與純鈦表面粗造度進行了研究，發現沖擊彈丸直徑、沖擊振幅的增大， 與工件表面距離的減小都會造成試樣表面粗糙度的增大。王錦[25]用超聲沖擊技術處理了TC4 鈦合金， 在 TC4 合金表面制備了納米晶層，同時發現隨沖擊道次增加，組織中的 β 相晶粒逐步消失，α 相晶粒逐次細化，并且材料表面的殘余應力和顯微硬度呈先迅速增加，然后趨于穩定。

近年來超聲沖擊技術憑借設備的價格低廉、能耗低，加工后試樣表面粗造度低、表面殘余壓應力值較大，可操作性強，工作環境綠色環保等優勢受到了研究人員的高度關注。 但是由于超聲沖擊過程較為復雜，想要取得最佳的處理效果，就需要綜合考慮各個工藝參數之間的影響，來優化工藝參數[26]。 此外，由于超聲沖擊技術與傳統的噴丸技術差異較大，難以建立準確可靠的仿真模型， 這類領域目前空白依舊很大。

5、基于超音速微粒轟擊的表面自納米化技術

超音速微粒轟擊法[27]利用了氣-固雙相流原理，超音速氣流帶動大量硬質微粒轟擊材料表面， 極大的動能加上重復轟擊，使材料表面發生劇塑性變形，并不斷細化晶粒至納米量級， 其加工裝置及過程見文獻[27]。 Chuan [28]采用超音速微粒轟擊法處理了TC17 鈦合金，并在表面形成了納米級晶粒。 結果表明，隨著處理時間的延長，納米層厚度增加，納米晶體尺寸減小。 晶粒直徑可達 準16.3nm， 經過 30min的轟擊處理后其取向呈隨機分布。 處理后試樣的抗拉強度和屈服強度有所提高。 Ge 等[29]對純鈦進行了超音速微粒轟擊表面處理。 處理結果顯示， 經處理后的試樣表層形成了晶粒尺寸 20nm 左右的等軸晶粒，對納米化的試樣進行 450℃以下的熱處理時，表層納米晶尺寸在 100nm 以下，因此表明該試樣具有較好的熱穩定性。 當退火溫度高于 450℃時，晶粒顯著增大（100nm）。 Xia 等[30]采用超音速微粒轟擊技術制備了醫用 Ti6Al4V 盤的納米結構表面。 武永麗等[31]對 TC11 鈦合金進行了超音速微粒轟擊表面納米化處理， 結果表明處理后的試樣表面產生了晶粒尺寸為 5～15nm 左右的納米晶， 其厚度約為 30～50%μm。 處理后的試樣在相同的加載條件下，疲勞壽命提高了 8～10 倍。 處理后的材料的疲勞斷口由處理之前的表層轉移到了次表層， 并且加載后的表層晶粒尺寸仍為納米級。

超音速微粒轟擊法采用壓縮氣體做動力源，攜帶固體微粒以類似熱噴涂的方式工作， 所用固體微粒可以回收利用，所以此技術具備成本低廉的優勢。

除此外其表面納米化效率較高、便于操作，可對大尺寸平面進行加工，適用與大規模工業化生產。

6、基于激光沖擊的表面自納米化技術

激光沖擊技術[32]（又稱激光噴丸技術）用大功率激光脈沖照射材料表面， 材料表面的吸收層受熱汽化產生的等離子體爆炸， 會在材料表面產生高壓沖擊波，作用于材料表層并在其中產生殘余應力，其原理見文獻[23]。 Che 等[33]采用激光沖擊處理 Ti-6Al-4V 鈦合金的表面，通過調控加工參數可以實現晶粒的納米化，提高了材料表面的耐磨性，同時表面也不會引入其他雜質。 Zhou 等[34]研究了 TC6 鈦合金在多重激光沖擊過程下的產生超高應變率（>106s-1）響應的變形機理。 當 1000MW 激光照射材料時，產生高壓等離子體激波，引起材料的超高應變率響應。一次沖擊即可在表面形成納米晶， 隨沖擊時間的增加可為位錯運動提供更長的時間和更多的能量， 使晶粒細化為更小的尺寸，并促使其均勻分布。通過單次激光沖擊噴丸處理， 即可提高 TC6 鈦合金的硬度，形成 200μm 厚的劇塑性變形層。 增加沖擊時間可以提高硬度和有效深度。 Lu 等[35]研究了工業純鈦在多次激光沖擊下的微觀結構響應和晶粒細分過程。 分析了激光沖擊波對六角形（hcp）材料的晶粒細化機理。實驗結果表明，多重激光沖擊使工業純鈦表面產生了平均尺寸小于 50nm 的均勻等軸晶粒。 純鈦近多次沖擊的晶粒細化機制主要存在兩種細化模式：

表層粗晶在沖擊的作用下被機械孿晶分割為亞微米級的等軸位錯晶胞；隨著沖擊的持續，應變增加，位錯墻擊穿分段片層進一步分割晶粒， 使晶粒細化至納米量級。 楊進德等[36]用 YAG 短脈沖激光器對 Ti-6Al-4V 合金進行了表面納米化處理，研究發現隨沖擊次數的增加，晶粒尺寸減小直至生成納米晶粒；當沖擊達 5 次后， 納米晶粒尺寸不在隨沖擊次數的增加而明顯降低， 此時所獲得納米晶粒尺寸在 50 ～130nm 范圍內， 表面晶粒納米化度到達漸飽和態，并且試樣表面晶粒分布均勻，硬度也較高。

激光沖擊技術具有高壓、 高能和超高應變率的加工特點， 在加工過程中對工件幾乎沒有熱效應。其在材料表面產生的殘余壓應力約為傳統噴丸的10.4 倍[37]。 但是，由于國內激光器制造技術不夠成熟，設備造價高昂，所以激光沖擊技術目前多在實驗階段應用。此外，當前的沖擊工藝前后預處理過程繁雜、設備的光學系統復雜且所需的輔助裝置過多，不便操作，這是阻礙它大規模推廣應用的主要原因，因此需要對現有技術進行優化革新。

7、結語及展望

上述研究成果充分反映了國內外研究人員在鈦及鈦合金表面自納米化領域已經取得較為豐碩的成果，表面機械研磨所用設備簡單，但加工效率較低，所獲納米層較薄且加工后試樣表面粗糙度很大；表面機械碾磨技術可以實現棒料的高質量納米化，但是其只適合處理棒狀材料；高能噴丸技術成本低廉，操作簡單；超聲沖擊技術處理的試樣表面質量較高，效率也較高，但不適合于大型零件的加工處理；超音速微粒轟擊技術成本低廉，表面納米化效率較高，適用與大規模工業化生產； 激光沖擊技術易于進行自動化、處理后試樣表面質量高，但設備造價高昂。 上述工藝在相應的條件下都可實現材料表面的自納米化，并且研究表明：表面納米化可顯著提高材料表面性能。 未來這方面的研究可以從以下方面開展：

（1） 通過表面自納米化所獲得的表面納米層較薄，厚度在數百微米以內，對材料整體性能提升不夠顯著， 后續可以研究深表面納米結構層對鈦合金性能的綜合影響。

（2） 可以將其他如表面涂層、 表面沉積等表面強化技術與自納米化工藝相融合， 發展混合納米化技術，提高處理效率、優化材料性能。

（3） 現階段針對鈦合金表面自納米化的模擬仿真研究較少，因此可與力學、材料學等多學科融合，通過仿真模型建立相關工藝參數與納米結構梯度的對應關系，指導工程實踐發展。

（4） 鈦合金在航空發動機中被廣泛應用， 研究其在高溫、高壓、振動等復雜工況下的疲勞、磨損與腐蝕行為十分重要， 需要進行更為深入的表面納米化研究。

參考文獻:

[1]付艷艷，宋月清，惠松驍，等．航空用鈦合金的研究與應用進展[J]．稀有金屬，2007，30(6)：850-856．

[2]Li X W， Sha A X， Zhang W F， et al．TA15 titanium alloy and its applying prospects on airframe [J]．Titanium Industry Progress，2003，20(4/5)：90-94．

[3]Gleiter H．Nanostructured materials：basic concepts and mi-crostructure[J]．Acta Materialia，2000，48(1)：1-29．

[4]Valiev R．Materials science：Nanomaterial advantage[J]. Nature，2002，419：887-889．

[5]Lu K， Lu J．Nanostructured surface layer on metallic induced by surface mechanical attrition treatment [J]．Mater Sci. Eng.A，2004，38：375-377．

[6]段冰冰，王治國，蔡晉，等．鈦合金表面納米化強化研究進展[J]．表面技術，2021，50(12)：202-216．

[7]肖旭東，李勇，喬丹，等．金屬材料表面自納米化技術研究進展[J]．塑性工程學報，2021，28(10)：9-18．

[8]Zhu K Y， Brisset F．Nanostructure formation mechanism of a-titanium using SMAT [J]．Acta Mater，2004，52：4101-4111．

[9]何 曉 梅． 機 械 研 磨 工 業 純 鈦 表 面 納 米 化 與 組 織 性 能 研 究[D]．西安： 西安建筑科技大學，2008．

[10]張聰惠，何曉梅．表面機械研磨工業純鈦表面納米化研究[J].稀有金屬，2009，33(6)：769-773．

[11]Alikhani C S， Miresmaeili R， Aliofkhazraei M．Improvement in tribological behavior of commercial pure titanium (CP-Ti) by surface mechanical attrition treatment (SMAT) [J]．Tribology International，2018，119：744-752

[12]Liu X C， Zhang H W， Lu K．Formationof nano-laminated struc-ture in nickel by means of surface mechanical grinding treatment [J]．Acta Materialia，2015，96：24-36．

[13]Yin Y F， Xu W， Sun Q Y， et al．Deformation and fracture behavior of commercially pure titanium with gradient nano-to-micron-grained surface layer [J]．Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2015，25(3)：738-747．

[14]炊鵬飛．基于快速多重旋轉碾壓的純鈦表面納米化[J]．材料熱處理學報，2017，38(5)：24-128．

[15]鮮鵬，李軍．噴丸技術的發展與研究[J]．金屬世界，2020(1)：32-36．

[16]楊軍永． 高能噴丸表面納米化對工業純鈦疲勞性能的影響[D].大連： 大連交通大學，2006．

[17]楊磊． 高能噴丸表面納米化后表面粗糙度和損傷的研究[D].大連：大連交通大學，2006．

[18]韓靖，盛光敏，胡國雄．高能噴丸 TA17 近 α 鈦合金晶粒細化機制[J]．中國有色金屬學報，2008(5)：799-804．

[19]張聰慧，劉研蕊，蘭新哲．鈦合金表面高能噴丸納米化后的組織與性能[J]．熱加工工藝，2006，34(1)：5-7．

[20]王耀勉，衛娟茹，張聰惠，等．高能噴丸對 Ti-6Al-4V 鈦合金滲碳層耐磨性的影響[J]．稀有金屬，2020，44(5)：449-454．

[21]魯世紅，吳天睿，高國強，等．超聲波噴丸表面強化技術研究與應用進展[J]．航空制造技術，2016(4)：24-27．

[22]Kumar P，Mahobia G S， Chattopadhyay K．Surface nanocrystallization of β-titanium alloy by ultrasonic shot peening[J]．Materials Today： Proceedings，2020，28：486-490

[23]朱立華．純鈦板材超聲噴丸表面處理實驗與建模研究[D]．濟南：山東大學，2019：40-47．

[24]Zhu L， Guan Y， Wang Y， et al．Influence of process parameters of ultrasonic shot peening on surface roughness and hydrophilicity of pure titanium [J]．Surface and Coatings Technology，2017，317：38-53．

[25]王錦．TC4 鈦合金超聲沖擊表面納米化及高溫退火組織與性能研究[D]．西安：西安理工大學，2018．

[26]徐圣航，沈凱杰，張惠斌，等．鈦及鈦合金表面自納米化行為研究進展[J]．中國有色金屬學報，2021，31(11)：3141-3160．

[27]熊天英，劉志文，李智超，等．超音速微粒轟擊金屬表面納米化新技術[J]．材料導報，2003(3)：69-71．

[28]Chuan T．Surface self-nanocrystallization and tensile specimen fracture morphology of TC17[J]．Journal of Plasticity Engineer-ing，2013(5)：78-89．

[29]Ge L， Yuan Z， Jing X， et al．Study of pure titanium (TA2) surface nanocrystallization and its thermal stablity [J]．Rare Metal Materials & Engineering，2011，40(7)：1239-1242．

[30]Xia H， Wang A．Adhesion of osteoblasts on nanostructured surface of medical titanium alloys [C]//2nd Meeting of IADR Pan Asian Pacific Federation (PAPF) and the 1st Meeting of IADR Asia/Pacific Region 2009．

[31]武永麗，熊毅，陳正閣，等．超音速微粒轟擊對 TC11 鈦合金組織和疲勞性能的影響[J]．材料工程，2021，49(5)：137-143．

[32]吳嘉俊，趙吉賓，喬紅超，等．激光沖擊強化技術的應用現狀與發展[J]．光電工程，2018，45(2)：6-12．

[33]Che Z G，Yang J，Gong S L，et al．Self-nanocrystallization of Ti-6Al-4V alloy surface induced by laser shock processing[J].Rare Metal Materials & Engineering，2014，43(5)：1056-1060．

[34]Zhou L， Li Y， He W， et al．Deforming TC6 titanium alloys at ultrahigh strain rates during multiple laser shock peening [J].Materials Science & Engineering A，2013，578：181-186．

[35]Lu J Z， Wu L J， Sun G F， et al．Microstructural response and grain refinement mechanism of commercially pure titanium subjec- ted to multiple laser shock peening impacts [J]．Acta Materialia，2017，127：252-266．

[36]楊進德，周王凡，楊濤，等．多次激光沖擊 Ti-6Al-4V 鈦合金表面納米化研究[J]．激光技術，2017，41(5)：754-758．

[37]周曉剛，紀飛飛．多次激光噴丸作用下 TC4 鈦合金的疲勞性能及微裂紋擴展預測模型 [J]． 機械工程材料，2021，45(5)：100-104．

相關鏈接