钛合金因其优异的力学性能、耐蚀性和生物相容性,在航空航天、海洋工程及生物医用等领域有着广泛的应用。但钛合金的硬度和耐磨性相对较低,并且在海洋中的严苛工况条件下（如高温、高酸性、高Cl-浓度、低含氧量）有发生缝隙腐蚀的倾向,一定程度上限制了其在海洋领域的应用。为解决上述问题,本课题以应用最为广泛的TC4钛合金（Ti-6Al-4V）为基材,通过离子渗氮引入硬度高、耐磨性和耐蚀性好的离子渗氮层。但是,传统离子渗氮的处理温度高、渗层结合力不够好,本文采用喷丸表面纳米化方式来降低离子渗氮温度并提高渗氮层与基体的结合力。同时,传统直流电源离子渗氮过程中存在打弧、边缘效应和空心阴极效应等不利因素,本文通过引入高频电源和活性屏来加以解决。在渗氮设备优化后,本文对高频电源活性屏离子渗氮中的工艺参数进行了全面优化,重点研究了渗氮气压、活性屏高度和偏压对活性屏离子渗氮的影响规律和作用机理,并找到了最佳的渗氮工艺参数组合,实现了离子渗氮层在厚度、结合力及耐蚀性上的全面提高。首先,通过优化喷丸参数,在TC4表面实现了表面纳米化及低温离子渗氮。当提高喷丸压力或延长喷丸时间时,试样表面剧烈塑性变形层厚度不断增加,表面晶粒均被细化至纳米级,但试样表面粗糙度也不断增加。综合喷丸试样的剧烈塑性变形层厚度、均匀性以及表面粗糙度来看,0.3 MPa-25 min是本文确定的最优喷丸工艺参数。在此喷丸参数下进行传统直流电源离子渗氮,原始-渗氮试样和喷丸-渗氮试样表面获得了厚度为0.9μm和1.1μm的渗氮层,喷丸表面纳米化对渗氮动力学有一定优化作用,但此时尚不显著。划痕实验表明,喷丸-渗氮试样较原始-渗氮试样展现出更好的结合力,说明喷丸处理能有效改善氮化物层与基体的结合力。极化曲线测试表明,渗氮试样的自腐蚀电位更高、腐蚀电流密度更低,耐蚀性较原始试样有较为显著的提升。其次,本文使用具有高通/断电频率的高频电源,有效解决了传统直流电源离子渗氮过程中的打弧现象,提升了渗氮过程的稳定性,降低了渗氮层内部的热应力聚集和表面粗糙度,使渗层的综合性能得到提升。但高频电源的高电压峰值和低占空比对渗氮层的厚度有不利影响。本文使用悬浮电位下活性屏离子渗氮,可以有效抑制传统离子渗氮中的边缘效应。但是施加偏压后在活性屏离子渗氮试样表面再次发生了边缘效应,这是本课题后期在偏压电源的电压和控制上需要进一步优化的地方。最后,通过对渗氮工艺参数的全面优化实现了渗氮层厚度和质量的综合提升。当渗氮气压从50 Pa升至300 Pa过程中,渗氮试样表面的氮化物颗粒数、渗氮层厚度、表面硬度均呈现出先增大、再减小的趋势,并都在200 Pa处达到最大值;从机理上看,高气压虽然会提高渗氮粒子的数量,但渗氮粒子间也会发生更多碰撞,从而降低渗氮粒子的能量水平,200 Pa是当前设备条件下平衡渗氮粒子数量和能量水平的最优渗氮气压。使用高度较高的活性屏离子渗氮后,试样表面氮化物颗粒的数量、纵向高度、渗氮层的厚度均有一定程度的优化;从机理上看,较高的活性屏能增加活性氮化物粒子的溅射场所,提升活性氮化物粒子的数量,从而实现渗氮效果的优化。当偏压电源的偏压从0 V提升至1100 V过程中,渗氮试样的渗氮层厚度、硬度呈现出先增加、再降低的趋势,并在400 V的情形下达到最优;从机理上看,偏压一方面可以起到定向引导渗氮粒子从而优化渗氮效果的作用,但另一方面也会对试样表面产生溅射,从而减低渗氮层的厚度。400V是目前偏压电源状态下的最优偏压。综合以上渗氮参数的优化结果,本文推荐的最优参数组合为500℃-20 h-200 Pa-高屏-400 V偏压-高频电源。在该优化渗氮参数下,原始-渗氮试样和喷丸-渗氮试样渗氮层的厚度分别达到3.5μm和5.3μm,比渗氮参数优化前（500℃-20h-300Pa-1100V偏压-高屏-高频电源）的数据（0.5μm,0.6μm）有大幅提高。划痕实验表明,最优参数渗氮试样的摩擦力信号突变和划痕内衬度突变对应的载荷显著变大,较优化前展现出更好的结合力。从耐蚀性来说,最优参数下渗氮试样的自腐蚀电位更高,腐蚀电流密度更小,较优化前展现出更好的耐蚀性。从喷丸工艺对TC4钛合金离子渗氮层的结构和性能的影响来看,在最优渗氮参数下,喷丸不仅能优化TC4渗氮动力学条件,获得更厚的渗氮层,也能缓解基体与渗氮层间的组织和力学性能突变,使喷丸-渗氮试样展现出更好的结合力。从耐蚀性来看,喷丸-渗氮试样的渗氮层组织更细小致密,表面均匀性更好,因此展现出更好的耐蚀性。