钛合金由于其比强度高、耐蚀性好等突出优点,在航空航天领域具有重要应用。但是钛合金硬度低、易粘着磨损的问题制约了钛合金作为传动件在航空航天领域的应用。通过碳氮共渗表面强化技术在钛合金表面制备碳氮共渗层是解决钛合金硬度低耐磨性差问题的有效途径。液相等离子体电解技术（Liquid Plasma Electrolytic Saturation,LPES）作为一种新兴的表面处理技术,具有处理效率高、工艺简单、适用范围广等优点。本文采用LPES法对TC4钛合金表面进行稀土催化碳氮共渗处理,研究稀土催化碳氮共渗的原理与工艺,为推动钛合金材料作为传动件的应用提供技术基础。本文完成的主要研究工作及成果如下:1.通过理论计算、仿真分析和实验研究了LPES法碳氮共渗体系中的温度,试样表面和中心温度的计算值、仿真值和测量值表明输入电压是影响LPES法碳氮共渗体系温度的关键因素,试样-气膜-电解液体系温度的研究结果对于LPES法碳氮共渗处理电压的选择具有指导意义。2.建立了LPES法碳氮共渗的原子扩散模型,研究了渗层中原子浓度的变化,结果表明原子表面浓度、扩散时间、扩散温度和扩散激活能均是影响渗层中原子浓度的关键因素。通过实验研究稀土氧化物CeO₂在LPES法碳氮共渗中的作用,发现CeO₂的引入有效提高了原子表面浓度,降低了扩散激活能,促进了碳氮原子的扩散,对LPES法碳氮共渗具有良好的催化作用。3.研究了LPES法钛合金表面稀土催化碳氮共渗工艺,分析了渗层表面形貌、截面组织、元素分布、硬度和耐磨性能,研究了电压和时间对强化层的影响。结果表明在320V电压下添加CeO₂处理30min的试样强化层表面硬度达到987HV0.01,强化后的TC4钛合金表面耐磨性能显著提高。