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钛及钛合金具有高的比强度、优良的耐腐蚀性等优点，是一种新兴的结构材料，己在航空航天、舰船、兵器、化工、医疗、海洋等诸多领域得到应用，是但钛及钛合金的普遍缺点是表面硬度低、易发生粘着磨损，影响了钛合金构件的安全性和可靠性，限制了它的进一步的应用。碳与钛形成的碳化钛硬度高、摩擦系数低，生成为扩渗层也能满足重承载需求。固体渗碳等传统技术用于提高钢铁材料的表面强度，但不适合于钛合金的处理；常用的气体渗碳等工艺在渗碳的同时氢元素渗入到钛基体中，存在氢脆隐患。本文利用双层辉光等离子冶金原理，以高纯石墨作为源极，氩气为工作气体，对TC4钛合金进行无氢渗碳，在TC4钛合金表面形成一定厚度的渗碳改性层。利用XRD、SEM、EDS等对渗碳层的物相、显微组织、显微硬度、耐磨性及力学性能进行研究，得出如下结论：1、TC4钛合金经过渗碳后，渗层由外表层、渗碳层和扩渗层组成。渗层主要是TiC相，未发现氢化物和含氢相。随着渗碳时间的延长，TiC衍射峰强度增强，Ti峰减弱，最终没有Ti峰，但出现了C相。随着渗碳时间延长而出现外表层，外表层呈疏松态，主成分是C，出现了Ti、Al、V元素，外表层的存在阻碍碳向钛基体的渗入。碳在钛中的扩散通道主要是晶界，渗入的C以TiC化合物态存在。渗层硬度呈梯度变化，硬度变化曲线能够反映渗层中碳含量的变化。2、渗碳后的磨损量是渗碳前的2%~7%；渗碳后的摩擦系数约为渗碳前的50%~60%。经球盘磨损，TC4钛合金磨损严重，渗碳面只有轻微的擦痕、无磨损，表明渗碳后可降低磨损率，改善摩擦性，提高TC4钛合金的耐磨性。3、经过1h、2h、3h处理后的样品抗拉强度、规定非比例延伸强度与原始样相当；3种热处理（即不带渗层）断后伸长率和断面收缩率优于原始样，带渗层样的断后伸长率和断面收缩率有较大下降，并随着时间的延长，断后伸长率和断面收缩率而下降。带渗层样在拉断过程中，外表面渗层不断剥落，外表面布满环状裂纹，裂纹自根部向中间逐渐增加，根部为细小裂纹，愈向中间裂纹愈宽大；随着时间的延长，裂纹主要集中在断口附近，试样根部较少。热处理的TC4样品断口为塑性断裂，位错滑移在断裂过程中起重要作用；带渗层样品接近于外表面表现为脆性断裂特征，心部为塑性断裂，并可通过断裂形貌判定断裂方向。