近年來，鈦及鈦合金材料，憑借其塑韌性好、比強(qiáng)度高、 耐腐蝕性能好以及抗沖擊性能好被廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。 目前航空飛行器的機(jī)身、機(jī)翼、尾翼、發(fā)動機(jī)葉片和飛機(jī)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(yè)的發(fā)展，對飛機(jī)飛行速度以及安全飛行時間要求提高， 因此飛機(jī)相關(guān)結(jié)構(gòu)會在更加惡劣的工況下運(yùn)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(xiàn)出優(yōu)異的物化性能。 目前制備納米材料的技術(shù)復(fù)雜、成本高昂，因此限制了納米晶材料在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。 由于材料的失效（斷裂、腐蝕和磨損等）一般都發(fā)生在材料的表面，而與常規(guī)粗晶材料相比納米晶材料具備優(yōu)良的綜合性能[3-4]。 表面納米化（surfacenanocrystallization，SNC）技術(shù)通過物理或者化學(xué)方法在材料表層制備納米級晶粒或顆粒強(qiáng)化層，可以改善材料表面性能[5]，因此在工業(yè)應(yīng)用上價值重大。
國內(nèi)外研究學(xué)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(shí)現(xiàn)材料表面的納米化[6]。 研究發(fā)現(xiàn)：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(dǎo)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(jié)合面存在， 會影響納米化的強(qiáng)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(jìn)行加工，依托于材料自身變形，實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)材料表面的納米化， 但是這種方法工藝復(fù)雜、對生產(chǎn)設(shè)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(diǎn)更具應(yīng)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(shù)研究進(jìn)行了分析歸納，并對未來相關(guān)技術(shù)的發(fā)展方向提出了建議。
1、基于表面機(jī)械研磨的表面自納米化技術(shù)
表面機(jī)械研磨法是最早被應(yīng)用于材料表面納米化的方法，其處理方式見文獻(xiàn)[9]。 通過振動器驅(qū)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(shù)的累計，材料表面產(chǎn)生的塑性變形促使晶粒逐漸細(xì)化。 盧柯課題組[5,8]通過表面機(jī)械研磨法在工業(yè)純鈦上形成了約 50nm厚的納米結(jié)構(gòu)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(jìn)行了分析討論， 表明利用表面機(jī)械研磨工藝是可以在工業(yè)純鈦上制備納米層的。 何曉梅[9]通過表面機(jī)械研磨法處理了工業(yè)純鈦，獲得了表面晶粒平均尺寸約為 17 nm 的納米層，并且發(fā)現(xiàn)該納米層是由孿生和滑移聯(lián)合作用產(chǎn)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(jī)械研磨技術(shù)處理了工業(yè)純鈦，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過處理的試樣在相同的腐蝕環(huán)境下，表現(xiàn)出來更高的耐腐蝕性。 Alikhani 等[11]也對工業(yè)純鈦進(jìn)行了表面機(jī)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(guān)人員的研究發(fā)現(xiàn)： 利用機(jī)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(guān)人員提出了表面機(jī)械碾磨法。
2、基于表面機(jī)械碾磨的表面自納米化技術(shù)
表面機(jī)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(shù)，其工作原理見文獻(xiàn)[2]。 圓柱形試樣以 v1 的速度相對與半球形 WC/Co 刀具旋轉(zhuǎn)，刀具以 v2 的速度沿代加工試樣軸向運(yùn)動，刀具尖端在預(yù)設(shè)壓力的作用下與試樣表面接觸， 接觸面的摩擦力產(chǎn)生了塑性變形區(qū)域。Yin 等[13]通過對純鈦進(jìn)行表面機(jī)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(qiáng)度有所提高，梯度納米晶具備更高的加工硬化指數(shù)。 炊鵬飛[14]采用表面機(jī)械碾磨技術(shù)對純鈦表面進(jìn)行了納米化處理，研究發(fā)現(xiàn)：最表層的晶粒尺寸可被細(xì)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(tài)下可比原始試樣硬度提高 74%。
此外， 研究人員依托表面機(jī)械碾磨技術(shù)提出了表面機(jī)械多重碾磨、快速多重旋轉(zhuǎn)碾壓等多種技術(shù)。
表面機(jī)械碾磨可以實(shí)現(xiàn)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(shù)目前應(yīng)用場景受限，尚未進(jìn)行大規(guī)模的使用。
3、基于高能噴丸的表面自納米化技術(shù)
噴丸技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中十分常見， 主要通過發(fā)射大量高速彈丸沖擊材料表面，使其產(chǎn)生塑性變形、改變表層內(nèi)應(yīng)力以提高材料的表面性能。 傳統(tǒng)的噴丸方法對鈦合金表面進(jìn)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(guān)人員以傳統(tǒng)噴丸技術(shù)為基礎(chǔ)， 通過調(diào)整相關(guān)工藝參數(shù)，提高能量輸入幅度，提出了高能噴丸技術(shù)，其原理圖見文獻(xiàn)[7]。 楊勇軍[16]和楊磊[17]用高能噴丸法對工業(yè)純鈦進(jìn)行了處理， 發(fā)現(xiàn)細(xì)化后的表層晶粒隨機(jī)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(wěn)定， 試樣疲勞極限與原材料相比提高到 34%，遠(yuǎn)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(jìn)行了處理，有 35nm 厚的納米晶在噴丸表面生成，并對晶粒細(xì)化機(jī)制進(jìn)行了研究分析。 張聰慧[19]等對 TC4鈦合金表面進(jìn)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(jìn)行了研究， 研究發(fā)現(xiàn)此類納米化板條狀位錯強(qiáng)塑性變形產(chǎn)生的晶粒細(xì)化， 且晶粒細(xì)化程度與噴丸設(shè)備與加工表面距離呈正相關(guān)，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(shè)備較為簡單， 可在傳統(tǒng)噴丸設(shè)備上進(jìn)行改造和提升，具備操作簡單、加工效率高， 應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)， 具備較為廣闊的應(yīng)用前景。目前，有很多學(xué)者通過融合高能噴丸和其他表面處理技術(shù)[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(shù)
超聲沖擊技術(shù)[21]（也稱超聲噴丸）是借助超聲波經(jīng)中間機(jī)構(gòu)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(chǎn)生高密度位錯，從而實(shí)現(xiàn)材料表面的納米化，其加工原理見文獻(xiàn)[21]。 Kumar 等[22]用直徑為 準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)了納米化，原始晶粒尺寸從 198μm 細(xì)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(jìn)行超聲沖擊試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 在純鈦表面形成了納米晶-非晶復(fù)合層， 并且發(fā)現(xiàn)不同的超聲沖擊參數(shù)對復(fù)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(shù)與純鈦表面粗造度進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)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(shù)處理了TC4 鈦合金， 在 TC4 合金表面制備了納米晶層，同時發(fā)現(xiàn)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(xì)化，并且材料表面的殘余應(yīng)力和顯微硬度呈先迅速增加，然后趨于穩(wěn)定。
近年來超聲沖擊技術(shù)憑借設(shè)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(yīng)力值較大，可操作性強(qiáng)，工作環(huán)境綠色環(huán)保等優(yōu)勢受到了研究人員的高度關(guān)注。 但是由于超聲沖擊過程較為復(fù)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(shù)之間的影響，來優(yōu)化工藝參數(shù)[26]。 此外，由于超聲沖擊技術(shù)與傳統(tǒng)的噴丸技術(shù)差異較大，難以建立準(zhǔn)確可靠的仿真模型， 這類領(lǐng)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(shù)
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(zhì)微粒轟擊材料表面， 極大的動能加上重復(fù)轟擊，使材料表面發(fā)生劇塑性變形，并不斷細(xì)化晶粒至納米量級， 其加工裝置及過程見文獻(xiàn)[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(jié)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(dá) 準(zhǔn)16.3nm， 經(jīng)過 30min的轟擊處理后其取向呈隨機(jī)分布。 處理后試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度有所提高。 Ge 等[29]對純鈦進(jìn)行了超音速微粒轟擊表面處理。 處理結(jié)果顯示， 經(jīng)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(jìn)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(wěn)定性。 當(dāng)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(shù)制備了醫(yī)用 Ti6Al4V 盤的納米結(jié)構(gòu)表面。 武永麗等[31]對 TC11 鈦合金進(jìn)行了超音速微粒轟擊表面納米化處理， 結(jié)果表明處理后的試樣表面產(chǎn)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(zhuǎn)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(shù)具備成本低廉的優(yōu)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(jìn)行加工，適用與大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
6、基于激光沖擊的表面自納米化技術(shù)
激光沖擊技術(shù)[32]（又稱激光噴丸技術(shù)）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(chǎn)生的等離子體爆炸， 會在材料表面產(chǎn)生高壓沖擊波，作用于材料表層并在其中產(chǎn)生殘余應(yīng)力，其原理見文獻(xiàn)[23]。 Che 等[33]采用激光沖擊處理 Ti-6Al-4V 鈦合金的表面，通過調(diào)控加工參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)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(zhì)。 Zhou 等[34]研究了 TC6 鈦合金在多重激光沖擊過程下的產(chǎn)生超高應(yīng)變率（>106s-1）響應(yīng)的變形機(jī)理。 當(dāng) 1000MW 激光照射材料時，產(chǎn)生高壓等離子體激波，引起材料的超高應(yīng)變率響應(yīng)。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(yùn)動提供更長的時間和更多的能量， 使晶粒細(xì)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(yè)純鈦在多次激光沖擊下的微觀結(jié)構(gòu)響應(yīng)和晶粒細(xì)分過程。 分析了激光沖擊波對六角形（hcp）材料的晶粒細(xì)化機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，多重激光沖擊使工業(yè)純鈦表面產(chǎn)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(xì)化機(jī)制主要存在兩種細(xì)化模式：
表層粗晶在沖擊的作用下被機(jī)械孿晶分割為亞微米級的等軸位錯晶胞；隨著沖擊的持續(xù)，應(yīng)變增加，位錯墻擊穿分段片層進(jìn)一步分割晶粒， 使晶粒細(xì)化至納米量級。 楊進(jìn)德等[36]用 YAG 短脈沖激光器對 Ti-6Al-4V 合金進(jìn)行了表面納米化處理，研究發(fā)現(xiàn)隨沖擊次數(shù)的增加，晶粒尺寸減小直至生成納米晶粒；當(dāng)沖擊達(dá) 5 次后， 納米晶粒尺寸不在隨沖擊次數(shù)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(nèi)， 表面晶粒納米化度到達(dá)漸飽和態(tài)，并且試樣表面晶粒分布均勻，硬度也較高。
激光沖擊技術(shù)具有高壓、 高能和超高應(yīng)變率的加工特點(diǎn)， 在加工過程中對工件幾乎沒有熱效應(yīng)。其在材料表面產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力約為傳統(tǒng)噴丸的10.4 倍[37]。 但是，由于國內(nèi)激光器制造技術(shù)不夠成熟，設(shè)備造價高昂，所以激光沖擊技術(shù)目前多在實(shí)驗(yàn)階段應(yīng)用。此外，當(dāng)前的沖擊工藝前后預(yù)處理過程繁雜、設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜且所需的輔助裝置過多，不便操作，這是阻礙它大規(guī)模推廣應(yīng)用的主要原因，因此需要對現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化革新。
7、結(jié)語及展望
上述研究成果充分反映了國內(nèi)外研究人員在鈦及鈦合金表面自納米化領(lǐng)域已經(jīng)取得較為豐碩的成果，表面機(jī)械研磨所用設(shè)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(jī)械碾磨技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)棒料的高質(zhì)量納米化，但是其只適合處理棒狀材料；高能噴丸技術(shù)成本低廉，操作簡單；超聲沖擊技術(shù)處理的試樣表面質(zhì)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(shù)成本低廉，表面納米化效率較高，適用與大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)； 激光沖擊技術(shù)易于進(jìn)行自動化、處理后試樣表面質(zhì)量高，但設(shè)備造價高昂。 上述工藝在相應(yīng)的條件下都可實(shí)現(xiàn)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(shù)百微米以內(nèi)，對材料整體性能提升不夠顯著， 后續(xù)可以研究深表面納米結(jié)構(gòu)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(qiáng)化技術(shù)與自納米化工藝相融合， 發(fā)展混合納米化技術(shù)，提高處理效率、優(yōu)化材料性能。
（3） 現(xiàn)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(xué)、材料學(xué)等多學(xué)科融合，通過仿真模型建立相關(guān)工藝參數(shù)與納米結(jié)構(gòu)梯度的對應(yīng)關(guān)系，指導(dǎo)工程實(shí)踐發(fā)展。
（4） 鈦合金在航空發(fā)動機(jī)中被廣泛應(yīng)用， 研究其在高溫、高壓、振動等復(fù)雜工況下的疲勞、磨損與腐蝕行為十分重要， 需要進(jìn)行更為深入的表面納米化研究。
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