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钛合金TC4(Ti-6A1-4V)作为重要的工程合金材料具有密度低、比强度高、耐腐蚀性和生物相容性好等优点,被广泛应用于航空、汽车、化工和生物医学行业。但是TC4较差的摩擦学性能以及在H2S04等还原性介质中耐腐蚀性能的不足,限制了其在发动机阀门、涡轮增压器和腐蚀等领域的应用。利用双辉等离子表面合金化技术在TC4表面形成Zr合金层,然后再进行离子渗氮处理,在钛合金表面形成的渗Zr合金层及Zr-N复合渗层具有良好的耐磨和耐腐蚀性能。本文研究了双辉等离子Zr合金化温度对Zr合金层组织、相结构以及显微硬度的影响,并分别对Zr合金层及Zr-N复合渗层的形成机理进行了初步研究。对比未处理的TC4基材,分析了TC4经渗Zr与Zr-N复合渗后的摩擦学性能以及在10%H2S04溶液中的电化学行为,同时对其改性机制进行了探讨。研究结果表明：(1)双辉等离子表面合金化技术可以在TC4表面制备出组织均匀致密的Zr合金层,合金层与基体之间以扩散层结合。Zr合金层厚度随着渗Zr温度的提高而增加,800-900℃形成的Zr扩散层厚度约为40-80TC4渗Zr后表面主要由Zr在a-Ti或p-Ti中形成的固溶体组成,α相随渗Zr温度升高逐渐增多,而p相则逐渐减少。渗Zr后表面粗糙度随渗Zr温度的提高而增加。Zr含量及硬度沿合金层逐渐降低,合金层硬度较基体明显提高。(2)850℃渗Zr合金经后续离子氮化后形成的Zr-N复合渗层中氮化层厚度约4μm,Zr扩散层深度较单纯渗Zr层增加30μm左右。Zr-N合金层表面主要由ZrN、少量TiN0.3与A1N组成,其显微硬度较单纯渗Zr合金层硬度明显提高,并沿合金层梯度递减。(3)TC4渗Zr后在载荷为2N、5N时的平均摩擦系数约0.2和0.15,均小于未处理的TC4基材(0.45和0.32),比磨损率分别是TC4基材的48%和56%,减摩和耐磨性能得到一定程度的改善。载荷为1ON时,Zr合金层被磨穿,摩擦系数较大(0.55),但其比磨损率是TC4基材的55%,仍具有一定的耐磨作用。Zr的固溶强化作用是TC4渗Zr后耐磨性得以改善的主要原因。此外,合金层中硬度呈梯度变化对载荷的压入起到的支撑作用也是耐磨性提高的原因之一。(4)TC4经过Zr-N复合渗后表现出优异的减摩和耐磨性能。在2N、5N、10N载荷作用下,Zr-N复合渗试样的摩擦系数分别为0.1、0.13、0.25,均低于相应载荷下TC4基材的摩擦系数(0.45、0.3、0.3)；比磨损率分别是TC4基材的7%、1%和9%。Zr-N复合渗后除了Zr的固溶强化及硬度梯度支撑作用外,氮化物的弥散强化是Zr-N复合渗层耐磨性明显提高的主要原因。(5)TC4经800℃、850℃和900℃不同温度渗Zr后在10%H2SO4硫酸溶液的耐腐蚀性能较未处理的TC4基材明显提高,其中900℃渗Zr合金层的耐腐蚀性能最佳。800℃、850℃和900℃渗Zr试样的自腐蚀电位分别为-47mV、-50mV和-72mV,较未处理基材的自腐蚀电位(-280mV)明显正移；腐蚀电流密度分别为3.16×10-2μA.cm-2、3.10×10-2μA.cm-2和3.02×10-2μA.cm-2,均比基材(3.50×10-1μA.cm-2)降低了一个数量级；维钝电流密度分别为6.27μA.cm-2、6.33μA.cm-2和3.27μA.cm-2,较基材(8.90μA.cm-2)也明显下降。TC4渗Zr后交流阻抗谱的电阻值均大于未处理基材。Zr暴露在空气中时表面易形成一层致密的Zr02氧化膜,这层Zr02惰性膜使Zr及其合金具有优良的耐腐蚀性能。900℃形成的Zr合金层由于表面Zr及α相含量较高而显示出较好的耐蚀性。(6)TC4经Zr-N复合渗后在10%H2SO4硫酸溶液的耐腐性能较单纯渗Zr得到进一步提高。Zr-N复合渗试样的自腐蚀电位为266mV,较900℃渗Zr的自腐蚀电位明显正移。与单纯渗Zr相比,Zr-N复合渗后的腐蚀电流密度(2.51×10-2μA.cm-2)和维钝电流密度(0.63μA.cm-2)明显降低,其交流阻抗谱的阻抗值增加。