引言
表面改性是指对材料表面进行物理、化学或结构上的改变，以改善其性能、增加功能或适应特定应用需求的过程。表面改性通常通过一系列的处理方法和技术来实现，可以针对不同的材料和应用目的进行定制。
表面完整性是指材料表面在制造、加工或使用期间所具有的无瑕疵、无缺陷、平整光滑的状态。钛合金因其优异的力学性能和良好的抗腐蚀性而在航空航天、汽车和医疗领域得到广泛应用。钛合金疲劳性能是指钛合金在受到交替或循环加载下所表现出的抗疲劳裂纹扩展和寿命特性。疲劳是材料在受到交变应力或荷载下，在循环加载下出现裂纹并逐渐扩展的现象。因此，钛合金的疲劳性能涉及其抵抗疲劳裂纹扩展的能力以及耐久性。
通过表面改性和完整性的优化，可以降低钛合金在疲劳加载下发生裂纹、断裂的风险，延长其疲劳寿命；改善钛合金的抗裂纹扩展能力，抑制裂纹的形成和扩展；提高钛合金的摩擦和磨损性能，减少摩擦损失和表面磨损；增强钛合金的抗腐蚀性能。
1 、表面改性的特征
表面改性通常是针对材料的表面层进行操作，与全体材料的体积改性相比，表面改性更加局部化，只影响材料的表面层，保持了材料的基本特性，降低了成本。
表面改性涵盖了多种不同的技术和方法，如涂层、化学处理、表面合金化、等离子体处理等。每种方法都有其特定的工艺，可以根据不同的应用需求选择合适的改性方式。
表面改性可以根据特定应用的要求进行个性化定制，通过选择适当的改性方法和参数，可以调整材料的表面硬度、摩擦性能、耐磨性、耐腐蚀性等特性，满足不同工程和应用领域的需求。通过适当的表面改性，可以显著提升材料的综合性能。
例如，添加耐腐蚀涂层可以提高材料的抗腐蚀性能；引入压缩应力或阻止裂纹扩展的方法，可以增强材料的抗疲劳性能。由于表面与体积所处环境和条件的不同，材料的表面特性与体积特性可能存在差异。表面改性可以针对表面特有的问题进行优化，如提高耐磨性、减少摩擦损失等，通过最大化材料表面的影响，改善整体材料性能。
2、 表面完整性对钛合金疲劳性能的影响
钛合金表面的高平整度可以减少应力集中，降低微动疲劳加载下的应力浓集现象，从而延缓裂纹的起始和扩展。平整的表面能够提供均匀的载荷分布，减少应力集中现象，有助于提高钛合金的疲劳寿命。表面完整性（图 1）对钛合金疲劳性能的影响是多方面的，涉及表面平整度、表面缺陷、表面处理、表面润滑等。通过优化表面完整性，可以提高钛合金的抗疲劳性能和疲劳寿命。
（1）机加工表面完整性对新型高强度钛合金疲劳行为的影响
机加工过程中，加工刀具与工件表面的相互作用会造成微观凹凸和划痕，导致表面粗糙度的增加。这些表面粗糙度会引起应力集中，降低钛合金的疲劳寿命。
由于切削力和变形引起的热效应，会导致钛合金表面残余应力的产生。这些残余应力可能成为裂纹起始点，并且在疲劳加载下会加速裂纹扩展。钛合金的表面可能发生相变、晶粒尺寸变化、显微组织变化等。这些表面材质改变会导致钛合金的力学性能和疲劳行为发生变化。切削液、铁粉等可能黏附在钛合金表面，形成污染和缺陷，影响疲劳寿命[1]。
（2）喷丸强化与表面完整性对新型高强度钛合金疲劳行为影响
喷丸是一种常用的表面处理方法（图 2），通过在钛合金表面喷射高速流动的磨料颗粒，可以改变表面的形貌及物理性质。喷丸强化可以消除表面缺陷和残余应力，提高钛合金的疲劳寿命。喷丸会在表面产生压缩应力，增加钛合金的抗裂纹扩展能力，延缓裂纹的形成和扩展。表面完整性是指钛合金材料在机加工等过程中的无裂纹、无缺陷和无残余应力的状态。良好的表面完整性可以减少应力集中和裂纹的起始点，提高钛合金的疲劳寿命。相反，表面缺陷、残余应力和粗糙度等不良表面完整性因素会降低钛合金的疲劳性能。喷 丸强化可以通过调控喷丸参数，如喷丸材料、喷丸剂量、喷丸速度等，来控制喷丸后的残余应力分布。适当的残余应力分布可以提高钛合金的抗疲劳性能。通常，产生压缩应力的喷丸强化可以阻止裂纹的扩展，降低疲劳寿命的衰减速率[2]。
（3）喷砂、喷丸与 HVOF 涂层复合处理对新型高强度钛合金疲劳行为的影响
喷砂、喷丸和 HVOF 涂层过程中，高速颗粒的冲击作用能够消除表面缺陷并形成压缩应力区域。这些压缩应力可以增加钛合金材料的抗裂纹扩展能力，延缓裂纹的形成和扩展，提高疲劳寿命。喷砂、喷丸和 HVOF涂层会改善表面的质量和粗糙度，减少表面缺陷和细微裂纹的存在，有助于降低应力集中的程度，提高钛合金的抗疲劳性能。HVOF 涂层通常具有优异的耐腐蚀性能和磨损抗性，能够有效保护钛合金表面不受外界环境的侵蚀。这些涂层的保护作用有助于延长钛合金的使用寿命，在疲劳加载下也能起到一定的缓解应力作 用。通过喷砂、喷丸和 HVOF 涂层的复合处理，可以在钛合金表面形成具有厚度的保护层和良好的表面完整性。这种复合处理能够综合发挥多种增强疲劳性能的机制，包括增加表面的硬度、改善材料的耐久性、消除缺陷和改变残余应力分布等[3]。
（4）离子增强磁控溅射固体润滑膜层及其完整性对钛合金微动疲劳行为的影响
IBEMSLC 是一种通过离子增强磁控溅射技术制备的固体润滑膜层，其具有优异的润滑性能和耐磨损性能。该膜层可以降低钛合金表面的摩擦系数和接触磨损，减少微动疲劳时的摩擦功耗和磨损损失。固体润滑膜层的完整性对其润滑性能和疲劳行为具有重要影响，完整的膜层可以提供有效的摩擦和磨损保护，减少表面缺陷和裂纹的形成。一旦膜层出现损伤或破裂，表面裸露的钛合金将容易受到微动疲劳引起的微裂纹扩展。
在制备固体润滑膜层的过程中，离子增强磁控溅射技术可以产生一定的残余应力。适当的残余应力分布可以延缓微动疲劳中的裂纹扩展，提高钛合金的耐疲劳性能，而过高的残余应力可能导致膜层脱落或裂纹的形成。针对钛合金微动疲劳行为的评估，需要进行相应的试验并对膜层进行性能测试和表征。常见的试验方法微动疲劳实验和表面形貌观察。通过分析产生的疲劳裂纹的发展和膜层的磨损情况，可以评估固体润滑膜层及其完整性对钛合金微动疲劳行为的影响[4]。
3、 降低表面改性与完整性对钛合金疲劳性能影响的有效途径
（1）降低机加工表面完整性对新型高强度钛合金疲劳行为影响的有效途径
通过优化切削速度、进给速度和切削深度等参数、制定表面完整性评定方案（表 1），可以减少机加工过程中的热影响和塑性变形，改善表面完整性，并减少表面缺陷的产生。采用表面精加工技术，如研磨、抛光和超精加工等，可以进一步提高表面的光洁度和平整度，减少表面粗糙度和微观缺陷，提高材料的疲劳强度和抗疲劳裂纹扩展性能。表面喷丸处理也是一种有效的改善表面完整性的方法。喷丸处理可以通过物理冲击去除表面缺陷，并增加表面压缩应力，提高材料的抗疲劳性能。适当的表面化学处理可去除表面氧化物和其 他杂质，提高表面纯净度，改善耐腐蚀性能，并间接提高疲劳性能[5]。
（2）降低喷丸强化与表面完整性对新型高强度钛合金疲劳行为影响的有效途径
通过高速喷射颗粒对钛合金表面进行冲击，可以去除表面缺陷并引入压缩应力。这种压缩应力可以有效抵抗疲劳裂纹的扩展，并提高材料的抗疲劳性能。优化喷丸参数是关键。选择合适的喷丸粒径、喷丸压力和喷丸时间等参数，可以控制喷丸冲击的效果。适当的冲击能够去除表面裂纹和缺陷，而过度冲击可能导致材料变形或表面粗糙度增加。在优化喷丸参数时，需将控制过量冲击和塑性变形的程度纳入考虑。喷丸强化后的表面完整性也是关键因素。较低的表面粗糙度和精确的表面形貌有助于减少应力集中和裂纹萌生的可能性。因此，在喷丸强化后需进行适当的表面处理，如抛光或机械研磨，进一步改善表面形貌和完整性[6]。
（3）降低喷砂、喷丸与 HVOF 涂层复合处理对新型高强度钛合金疲劳行为影响的有效途径
喷砂和喷丸处理可以去除表面缺陷和氧化层，改善表面质量，用于去除宏观和微观缺陷，而喷丸则能够引入压缩应力和冷变形，增强材料的表面硬度和抗疲劳性能；HVOF 涂层技术可以在钛合金表面形成高质量的涂层，提供额外的保护和强化层。这些涂层通常具有较高的硬度、抗磨损性和良好的耐腐蚀性能，有效防止表面微裂纹的扩展，提供更高的抗疲劳裂纹扩展阈值；在涂层与基材界面上也会产生压应力，抑制裂纹的扩展；喷砂、喷丸和 HVOF 涂层的复合处理可实现多重效益叠加，提供更好的基底表面状态，提高涂层的结合强度和附着力，增加基材的变形能力，在涂层和基材之间提供更好的缓冲效果，减少应力集中[7]。
（4）降低离子增强磁控溅射固体润滑膜层及其完整性对钛合金微动疲劳行为影响的有效途径
常见的固体润滑膜层材料包括 MoS2、WS2 和Graphite 等，具有良好的润滑性能和耐磨损性。通过调节离子增强磁控溅射工艺参数，如气氛组成、工艺温度和离子能量等，可以控制固体润滑膜层的组成、致密性和结合强度。优化工艺参数能够实现膜层的高质量沉积，并提高润滑膜层与基材之间的附着力。表面预处理也是影响固体润滑膜层完整性的重要因素，采用适当的表面准备方法，如超声波清洗和粗糙化处理，可以去除氧化层和污染物，提供更好的润滑膜层附着表面。
保证润滑膜层的完整性至关重要。密封润滑膜层表面，如应用润滑油或进行膜层封闭处理，可以减少凹槽和微缺陷的产生，提高表面平整度和表面质量，改善润滑效果并提高钛合金的微动疲劳性能[8]。
4、 研究结果与结论
4.1 研究结果
通过实验研究，我们获得了不同表面改性和完整性处理对钛合金疲劳性能的影响结果。离子增强磁控溅射固体润滑膜层及其完整性处理，明显提高了钛合金的疲劳寿命，加工表面完整性对新型高强度钛合金疲劳行为的影响呈明显增加状态。喷丸强化处理有效地提升了钛合金的表面完整性，减少了裂纹的形成和扩展，延长了疲劳寿命。而喷砂、喷丸与 HVOF 涂层复合处理对疲劳性能的改善效果相对较小，疲劳寿命仅略有提升[9]。
4.2 研究结论
通过对表面改性和完整性处理的影响分析，我们得出以下结论：离子增强磁控溅射固体润滑膜层和机加工是有效的表面改性方法，能够显著提高钛合金的疲劳寿命，适用于提高其疲劳性能。喷丸强化处理是一种可行的完整性改进方法，有效地改善了钛合金的表面完整性，降低了疲劳裂纹的形成和扩展，延长了疲劳寿命。然而，喷砂、喷丸与 HVOF 涂层复合处理虽然对疲劳性能有一定影响，但其改善效果相对有限。因此，在钛合金的工程应用中，我们应根据具体情况选择适当的表面改性和完整性处理方法，优化疲劳性能，提高 材料的可靠性和耐久性[10]。
5、 结束语
通过表面改性技术，可以增加钛合金的表面硬度、耐磨性和抗腐蚀性，降低疲劳损伤的发生概率。优化钛合金的完整性，能够减少内部缺陷和残余应力，提升其疲劳性能。尽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进行，进一步提高钛合金的疲劳性能，满足不同领域对材料强度和可靠性的需求。
参考文献
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作者简介：宋新华（1980—）男，土家族，湖南省张家界人，研究生，张家界航空工业职业技术学院专业教师。
研究方向：研究方向改为机械工程，抗疲劳制造技术。
基金项目：湖南省教育厅科学研究项目“钛合金抗疲劳制造技术表面完整性和疲劳性能研究”，项目编号：21C1545。
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