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TC18钛合金由于优良的综合性能被应用于制造飞机起落架。然而,疲劳性能差的缺点限制了其应用。TC18钛合金的表面状态是影响其疲劳性能的重要因素,表面划伤、高粗糙度及其他表面缺陷均会降低其疲劳寿命,而残余压应力会提高疲劳寿命。本课题提出利用离子注入技术强化TC18钛合金表面,并研究了离子注入后表面状态对TC18钛合金的疲劳性能的影响。利用离子注入技术在TC18钛合金表面注入不同剂量(1.219.0×1016 ions/cm2)的Cr、Zr离子,利用SEM、AFM、XRD和残余应力分析仪研究离子注入前后TC18钛合金表面形貌、成分、相结构和残余应力状态。利用纳米压痕仪研究不同载荷下（5 mN、10 mN和15 mN）离子注入前后TC18钛合金表面的纳米力学性能。利用疲劳试验机并结合离子注入前后TC18钛合金表面状态的变化情况分析Cr、Zr离子对其疲劳性能的影响。基于蒙特卡罗模拟方法研究了Cr、Zr离子在TC18钛合金内部的运动过程,结果显示离子注入过程中TC18钛合金表面发生明显的溅射现象,进而影响了基体表面形貌。Cr离子、Zr离子注入剂量分别增加至5.5×1016 ions/cm2和3.6×1016 ions/cm2时,TC18钛合金表面开始出现明显裂纹和蚀坑,并且随着注入剂量的继续增加,裂纹、蚀坑的数量和尺寸也随之增加。进一步研究发现,基体表面粗糙度随着Cr、Zr离子注入剂量的增加表现出先减小后增加然后又减小的趋势。当Cr、Zr离子注入剂量分别为5.5×1016 ions/cm2、3.6×1016 ions/cm2时,基体表面粗糙度（RMS）最小,为36.74 nm和34.96 nm。Cr和Zr离子注入后TC18钛合金表面均没有新相生成。Cr、Zr离子注入所造成的晶格畸变使得TC18钛合金表面残余压应力值和晶格参数随着注入剂量的增加而不断增加,并使得XRD衍射峰发生不同程度的偏移。随着Cr和Zr离子注入剂量的增加,TC18钛合金表面位错密度也不断降低。纳米力学性能分析结果显示,Cr、Zr离子注入后TC18基体表面纳米硬度和弹性模量值随着注入剂量的增加表现出先增加后减小的趋势。离子注入后,固溶强化作用使得基体表面硬度增加。但是,随着注入剂量的不断增加,位错密度降低以及辐照损伤使得表面硬度和弹性模量不断减小。其中当Cr、Zr离子注入剂量为3.56×1016 ions/cm2时,不同载荷下TC18钛合金表面硬度和弹性模量均表现为最高值。疲劳试验结果显示,当注入剂量为3.56×1016 ions/cm2时,在低粗糙度和高残余压应力的共同影响下,TC18钛合金抗疲劳性能得到提高。拟合S-N曲线并计算疲劳寿命可知,离子注入前TC18钛合金疲劳强度为407 MPa（疲劳寿命为5×106循环周次）,Cr和Zr离子注入后,TC18钛合金疲劳强度分别为413 MPa和431 MPa,拟合结果与疲劳试验结果基本吻合。在该注入剂量下,Zr离子注入对TC18钛合金疲劳寿命的提高程度最大。