热等静压制备的Ti-6Al-4V材料具有优越的综合性能和应用范围,但由于其低塑性剪切抗力和低加工硬化率,以及表面氧化物的保护作用差等原因,Ti-6Al-4V合金的耐磨性能和抗疲劳性能仍较差,在使用过程中摩擦系数大、易粘着、不易润滑、易发生磨损,严重限制了钛合金作为接触副零部件的使用,并且Ti-6Al-4V合金的疲劳裂纹源绝大多数情况下萌生于材料表面,因此,其表面完整性对钛合金材料及零件的性能有着重要的影响。本文通过不同的表面复合滚压强化工艺对热处理前后HIP Ti-6Al-4V材料进行了表面强化,分析其强化机理,研究了不同的表面复合强化工艺参数对材料表层微观结构、力学性能、摩擦磨损性能和疲劳性能的影响,优化出表面加热辅助超声复合滚压处理工艺,从而指导实际的钛合金零部件表面强化加工,具有重要的理论意义和较强的实际应用价值。利用热等静压工艺(HIP)将Ti-6Al-4V预合金粉末制备成致密度为99.8%的棒材,分析了未热处理HIP Ti-6Al-4V材料的力学性能和微观结构,依据材料的DSC曲线,确定了HIP Ti-6Al-4V材料的热处工艺规范;然后在常规滚压工艺基础上,确定了材料的表面复合滚压强化工艺方案,利用正交试验分析了表面超声滚压工艺参数对材料的表面粗糙度、显微硬度和残余应力的影响。研究了表面加热辅助超声复合滚压的强化机理,探讨了HIP Ti-6Al-4V材料表层微观结构的变化,并利用ABAQUS软件基于非线性各向同性-随动硬化模型,分析了常温表面超声滚压强化材料表层的等效应变、残余应力和能量的变化趋势,结果显示表面超声滚压强化有效地增加了材料表层的能量,在材料表层产生了较高数值的残余压应力,实现了应变强化。材料的微观结构分析显示,常温表面超声滚压在材料表面产生了一定厚度的塑性变形层,且随着超声频率和负载的增加而逐渐增加,但超声振幅的变化对其影响较小,材料表面改性层的晶粒被明显细化,最小的晶粒尺寸已经达到了亚微米级,并且TEM分析显示有孪晶的出现;对于表面加热辅助超声复合滚压处理材料的塑性变形程度随着材料加热温度的增加而逐渐增加,未热处理材料具有较厚的塑性变形层和较好的改性层晶粒细化效果,同时伴随有高密度的位错和较多的位错缠结,材料最表层的晶粒已经细化到了纳米级。分析了不同温度下表面超声滚压对材料表面粗糙度、显微硬度和残余应力的影响,发现常温表面超声滚压材料具有较好的表面形态和较低的表面粗糙度值,特别是未热处理材料表面比较光滑,没有明显的缺陷,最低表面粗糙度为0.13μm;表面加热辅助超声复合滚压可以有效的提高材料表面显微硬度和硬化深度,且材料的表面显微硬度和硬化深度随着材料加热温度的增加而逐渐增加,材料最大的显微硬度为511 HV,最大的硬化深度为250μm;相对于表面加热辅助超声复合滚压处理的材料,常温表面超声滚压未热处理的材料由于冷加工硬化的作用而具有较大的残余压应力,其数值为-1173MPa;XRD衍射分析表明表面加热辅助超声复合滚压处理材料具有较宽的衍射峰,这也间接说明表面加热辅助超声复合滚压强化工艺具有更好的晶粒细化和应变强化效果。研究了表面加热辅助超声复合滚压材料的微动磨损性能,发现常温表面超声滚压未热处理材料具有较好的耐磨性,主要的表现为摩擦系数较低、磨痕面积较小和磨损体积较少;对于表面加热辅助超声复合滚压的热处理材料,其耐微动磨损性能随着材料加热温度的增加而逐渐增强,最好的耐磨性由140℃加热辅助超声复合滚压热处理材料获得,且比常温表面超声滚压材料的微动摩擦磨损性能略好一点,主要表现为相似的磨损体积和较好的微动磨痕。当对磨材料为Cr15时,材料的主要磨损形式为磨粒磨损,磨损颗粒比较细小,并伴有少量的小剥落块,以及一些磨屑粘结到对磨球表面;而当Si3N4作为对磨材料时,主要的磨损形式为块状剥落,并伴有磨粒磨损,磨屑比较粗大。研究了表面超声滚压HIP Ti-6Al-4V材料拉伸和疲劳性能,发现表面超声滚压热处理材料的屈服强度和抗拉强度分别为1005 MPa和1042 MPa,相对于未热处理的材料分别提高了11.3%和8.2%,在拉伸断口形貌上的表现为在断口周围有一层厚度大约为500μm的表面改性过渡层。表面超声滚压热处理HIP Ti-6Al-4V材料的疲劳强度在高周疲劳提升不是很大,主要是提高了材料的低周疲劳寿命。在高周循环次数107基础上,疲劳循环应力从520 MPa提高到了570 MPa,相对于未热处理的材料提高了26.6%;而在700 MPa的高循环应力下,低周疲劳寿命从未热处理材料的13700次增加到了97503次,在疲劳试样断口形貌上的表现为疲劳裂纹的初始点移至材料的次表面区域。基于以上的分析可以发现常温表面超声滚压处理可以有效地提高材料的拉伸性能和抗疲劳性能,而表面加热辅助超声复合滚压工艺具有比常温表面超声滚压工艺更好的晶粒细化效果、更厚的改性层和更高的显微硬度,因此有理由相信表面加热辅助超声复合滚压处理工艺将进一步提高材料的拉伸和抗疲劳性能。