锆及锆合金的耐蚀性能和生物相容性能优异,热中子截面面积小,在航空航天、生物医疗和核工业等领域均具有广泛的应用。但传统的锆合金抗拉强度低,耐磨性差,易点蚀,而核用锆合金成本较高。因此,众多学者研发出一种新型民用Zr-Ti-Al-V四元高强韧锆合金。相比于传统锆合金,其力学、耐蚀和耐磨性能均得到了显著的提高,但在应用中仍具有易点蚀和耐磨性差的缺点。为了进一步提高其耐蚀、耐磨性能,本文以47Zr-45Ti-5Al-3V为基体材料进行热氧/氮化表面处理,研究了不同温度和时间条件对热氧/氮化膜层性能的影响。研究结果表明,基体表面生成的热氧化膜主要由ZrO2、TiO2、Al2O3和V2O5四种合金元素的氧化物构成。热氧化膜的厚度和硬度总体随温度的升高和时间的延长而增大。相较于基体试样,热氧化试样在NaCl和HCl两种溶液中的耐蚀性均有显著提高,并且受温度条件影响较大,600℃热氧化10 h试样的耐蚀性达到最优。在干摩擦测试中,热氧化试样的耐磨性能均有显著的提升,磨损体积也明显降低。受硬度和热氧化膜层厚度的影响,600℃热氧化15 h试样的耐磨性能达到最优;热氮化膜主要由ZrN、TiN、ZrO2和TiO2构成,并发现了Al2Zr化合物相的存在。热氮化膜层的性能受温度条件的影响较大,热氮化膜层的厚度和硬度整体随热氮化温度的升高和时间的增长而增大。在NaCl和HCl两种溶液中,热氮化试样的电化学性能差异较大。在NaCl溶液中,热氮化试样展现出了优于基体的电化学腐蚀性能,而在HCl溶液中热氮化试样的性能比基体差。热氮化试样的耐磨性能同样受温度条件影响较大,1000℃热氮化8 h试样的磨损体积最小,约为2.3×10-3mm~3,耐磨性能最好;本文对热氧/氮化膜生成过程的热力学和动力学进行了研究。Al和O反应的吉布斯自由能最低,易生成相应的氧化物。Al原子半径小,更易向外迁移,因此生成了具有富铝外层的双层结构热氧化膜。热氮化处理过程中,AlN的吉布斯自由能比ZrN和TiN大,稳定性较差,因此未检测到AlN相。Al原子向外迁移在热氮化层和基体界面处形成富铝区,为了溶解这部分Al,Zr与之反应生成了化合物。采用热氧/氮化处理增重曲线来研究动力学过程。在基体的热氧/氮化过程中,试样的增重曲线均符合抛物线增长规律,经计算可得,其氧/氮化速率在高温下较快,低温下较慢,同时,扩散活化能较小,更易发生氧/氮化反应。