钛表面硬化的目的是提高耐磨性，并消除在摩擦条件下工作的零件发生相互黏附的危险性。在硬度提高的同时，有可能耐蚀性能及疲劳强度也有所提高。这里首先关注表面硬度的提高,关注工艺本身及其对表面硬度提高的影响。现已发现有一种基于氧化的复式处理法,它可在Ti-6Al-4V上生成性能最佳的硬化层。这种增强/扩散氧化处理(BDO)能生成一层厚的亚表面层,以加强薄的表面耐磨损热氧化(TO)层。该工艺由www.lh-ti.com公司开发,它类似于钢的真空渗碳处理。将所需添加元素,这里为氧,以大的势能形成一高浓度表面层,然后在真空下将其扩散进入基体。按照此要求进行处理,生成的硬化层为准确的C形,这种硬化层用普通扩散处理是不能生成的。TO处理形成了一薄层“金红石”(与“八面石”形式相对)氧化钛(TiO2)层,并还有一窄的氧扩散区。表面层有着好的耐摩擦性,但它需要更厚些的BDO低衬层支撑,以便承受更大应力载荷。

 

钛在高温下会与氧,氮等气体发生反应，引起硬化，高温下（800-900度）进行氮化处理，使其表面维氏硬度高达700以上；通过堆焊，在氩气中同入适量的氮气或者氧气，使其表面硬度可以提高2—3倍；通过离子电镀，使其表面生成一层氮化钛，厚度在5微米左右，表面维氏硬度竟然高达16000—20000；镀铬等。此处理应在一压力保护气氛的炉子中进行并很好地控制,它可方便地改变处理结束时的气体成分,以生成均匀的无气孔金红石层。其结果类似于TO工艺处理。这样它以一步方式进行了复式处理,更不需如BDO/TO组合处理那样的三步,从而显著节能。此工艺仅用完全惰性气体———氩气和氧气,因而十分环保,无毒气,不会引起全球温室效应。虽然工艺很好,但真空处理费用昂贵,且氧化/扩散二步处理中有明显的控制问题。即使在真空中的扩散时间固定不变,第一步中形成氧化物含量的微小变化,也会引起其最后硬度分布的显著不同。此工艺完全依赖于经验控制。另一方面,在气体扩散过程中,例如,可由氧化锆电极直接控制氧电势,从而相对简单地形成所需稳定分布曲线形状。因此发现了另一替代方法,它更类似于气体渗碳处理,将加入元素,即氧,以气体形式形成可控势能源来控制处理过程。

 

钛合金渗碳在表面上生成TiC相,具有非常髙的硬度。但是TiC层与基体的结合力很差，妨碍实际使用。钛表面渗硼生成TiB2相，硬度也很高。据文献报道，将酸洗后的钛零件包埋在无定型硼粉和A1203粉各半的混合粉末（其中加有0.75%-1.0%的NH4F*HF)中，在1010度保温1小时,即可生成TiB2层。在上述条件下,该涂层的厚度依合金不同而异，工业纯钛上生成的涂层厚度为25p,TC4钛合金上形成厚度为20um，硬度在HV2800-3450的范围。渗硼的温度要求高,这使其应用受到一定限制。如果先在钛板上电镀铁，之后进行硼化，可以降低硼化温度到870度,镀层厚度可达40um，硬度可到HV2300。由于钛也与氮反应,因此必须用氩气作为载体。假如用氧/氮混合气体(空气)作为氧源,那在氧的扩散温度(约850℃)就会形成足够的氮化物它会减小氧的扩散。为了优化氧扩散层的深度和分布,氧的浓度需足够高,以产生最大扩散速率。但它不能高至形成一连续的表面氧化膜,据报道,它会阻挡扩散。