钛合金因其优异的综合性能,被广泛应用于航空航天、化工等行业和生物材料结构领域,成为不可或缺的重要材料。随着日益苛刻的工况条件和发展需求,钛的硬度低、摩擦系数大的缺点,严重影响使用寿命和增加费用,从而限制了钛合金应用。为了解决钛合金硬度低、耐磨性差的问题,通过表面改性来提高硬度和耐磨性的方法越来越受到人们的关注,可以最大限度地发挥钛合金在各种应用中的优势。因此,对钛合金进行表面改性展开研究具有重要意义。对钛合金进行单一的电子束表面改性处理,真空室电子束与材料相互作用过程容易出现粉末排斥的问题。本文将电镀与电子束表面重熔改性技术相结合进行了研究,探究了多技术复合工艺方案,研究复合技术制得涂层的组织和性能。选用钛材料为TC4钛合金和TA2纯钛,电镀方法以镀镍技术在钛表面预制镀层,并配合磁力搅拌形式进行了复合镀,镀液中添加第二相陶瓷粉末TiC均匀混合。基于密度泛函理论,利用第一性原理计算了金属间化合物本征性能,验证其相关性质。相关研究内容如下:TC4钛合金预电镀镍再电子束表面重熔。对涂层进行测试和分析,涂层无裂纹和气孔缺陷,界面呈冶金结合。复合涂层由Ti2Ni、TiNi金属间化合物和富镍钛相组成。由于较高的冷却速度,在非平衡状态熔池中,Ti2Ni相为树枝状或针状,TiNi相呈点状分散。熔覆层内部晶粒尺寸明显减小,晶界变得模糊并相互交织,内部出现大量位错和层错缺陷,组织中存在马氏体转变的针状结构。Ti2Ni相和TiNi相分别以塑性和弹性的形式在复合涂层中占据主导位置。复合涂层的平均纳米硬度为6.5±0.5 GPa,受残余拉应力的影响,最高硬度位置距离表面约15 μm处可达到7.03 GPa。晶粒细化、位错结构的增加和原位形成的Ti2Ni/TiNi是涂层硬度提高的主要原因。TA2纯钛复合电镀镍/碳化钛,然后再电子束表面重熔,可获得涂层与基体之间呈冶金结合,无气孔、裂纹的涂层。复合涂层由Ti2Ni、TiNi金属间化合物和陶瓷颗粒TiC的复合相组成。TiNi相在涂层以不规则的长条状枝晶组成,而Ti2Ni相则以树枝状或细小流线状的枝晶/胞晶存在于涂层中。由于熔池快速熔化和冷却,熔覆层晶粒内部出现大量位错和孪晶聚集,晶界处不再清晰明朗。TiC颗粒在高温电子束重熔过程中,部分颗粒边缘会发生溶解,发生重结晶成椭圆状颗粒嵌入在Ti2Ni相中。由于陶瓷颗粒TiC的弥散分布和原位形成的Ti2Ni和TiNi相,涂层的最大硬度达到7.95 GPa,相比于原TA2基体硬度提高了三倍以上。复合镀重熔的摩擦系数的值相比于原基体的0.61和单纯复合镀Ni/TiC镀层的0.49,其值最低,大小为0.33,耐磨性得到很大提高。利用Castep软件对Ti2Ni、TiNi和TiNi3空间结构进行优化,通过第一性原理计算了钛-镍金属间化合物的弹性常数、体模量、剪切模量、弹性模量、泊松比和硬度等相关性质,并分析了的总态密度和分波态密度特征。研究表明,随着Ni相对含量的增加,体积模量,剪切模量,弹性模量和泊松比,这些性质相对大小依次递增顺序为:Ti2Ni、TiNi和TiNi3。在钛-镍金属间化合物中,利用硬度与弹性模量的经验关系,TiNi3的硬度最高,硬度顺序为:TiNi3>Ti2Ni>TiNi。在费米能级(-10～15 eV)附近区域的态密度,由于Ti和Ni属于d区过渡金属,与3p和4s电子相比,3d电子对态密度影响最大。随着Ni的相对含量的增加,合金的共价键的特征增大,而金属键的特征减小。