锆合金因其热中子吸收截面小、导热率高、加工性好被广泛用在核燃料的包壳、端塞和堆芯材料等，是重要的核结构材料。其耐腐蚀性优于其它合金，但是锆合金的硬度低、耐磨性能差使其应用受到限制。本文利用双辉等离子表面冶金技术对Zr53Ti39Al4V4（Zr50）、Zr17Ti72Al7V4（Zr20）、Zr11Ti80Al5V4（Zr10）进行表面渗碳，以提高表面耐磨性，并观察渗层及其性能随锆含量变化的规律。采用双辉等离子表面冶金技术在上述锆钛合金表面成功地制备了含碳合金层。用正交试验方法对合金的源极电压、工件电压、极间距、压强等工艺参数进行优化，对三种合金的渗层进行XRD、EDS分析，得出Zr10合金、Zr20合金和Zr50合金的渗层厚度分别为5μm、10μm和17μm，渗层由TiC、ZrC等硬质相组成，使得其表面显微硬度高达1500HV。渗碳前和渗碳后的显微组织都是由α相和β相组成，并随着Zr含量的增加，α相的长径比增大。渗层摩擦磨损性能和耐腐蚀性能测试结果表明，渗碳前合金的摩擦系数随着Zr含量的增加逐渐减小，渗碳后的摩擦系数由于表面碳化物的生成比渗碳前有不同程度的下降，淬火时效后和渗碳后的摩擦系数相比变化很小。渗碳前和渗碳后的磨损机理有磨粒磨损和粘着磨损两种，渗碳后磨损表面随着Zr的增多变得平整，粗糙度减小。磨损率的大小和硬度及摩擦系数的变化趋势相一致。在5%的H₂SO₄溶液中，三种合金渗层的自腐蚀电流密度比渗碳前均小2个数量级，耐腐蚀性得到极大提高。在3.5%的NaCl和0.5mol/L的HCl溶液中呈现出相同的规律：Zr20合金的自腐蚀电位和腐蚀电流密度比渗碳前的Zr10合金和Zr50合金小，没有钝化区出现，Zr20合金表现出较好的耐腐蚀性能。