利用元素N、0、C及B对钛合金反应而形成坚硬的表面和扩散层，从而使基体材料具有较好的耐磨蚀性能。在金属表面上由于和相应元素进行反应而形成化合物，但在相邻接的金属层中，通过元素在基体金属表面的不同溶解度及扩散速度就可能形成具有不同厚度层的硬化区。
渗氮是一种有效的强化方法，在钛合金表面进行渗氮处理可以在表面形成坚硬的氮化钛，有效提高表面硬度，增加耐磨性。但是，由于氮化钛的生成热超过氧化钛的生成热，因此必须在完全脱氧的条件下进行渗氮处理。研究发现，钛和氮随时间按照抛物线规律进行表面反应，其渗氮速度随着渗氮时间的增加而降低。这是因为氮在外层的氮化钛中的扩散速度小于下面的钛固溶体区的扩散速度，因此不能形成很厚的氮化层。
通过对钛板及钛合金的渗氮研究发现，渗氮层的厚度随着温度的升高而增加，并且在大约850℃温度条件下经过16-24h之后达到具有HV超过3000MPa硬度，厚度为0.025-0.1mm的渗氮层，再延长渗氮时间基本上不会带来硬化深度的增加。另外，较高的温度会导致基体材料晶粒长大，并且由于受缺口应力集中及内应力作用的硬化边缘区引起可塑性降低。
在渗氮时表面可能形成不同的区域，如果氧含量不高，形成由氮化钛组成的外区，具有金黄色并且硬度为17000MPa，但这种氮化层很薄，约为5pm。在较低的氮化温度时或者继续进行高温加热时，氮就完全溶解到金属表面的钛固溶体里去了，氮化钛层就不再增加或者在某个热处理工序中消失。因此，在发现氮化钛层时，a钛固溶体已经溶解到氮中去了，这层也具有很高的硬度，但是心部硬度降低。在双相钛合金渗氮条件下，由于氮在a钛固溶体和卩钛固溶体中的溶解度及扩散速度不同而使其扩散区的层厚波动。在质量分数为30%-100%NaCN的氰盐浴槽中进行钛的表面硬化处理时，于800℃条件下经过2h的表面硬化可以达到HV接近6000MPa(约HRC60)。在用渗氮钛合金进行的磨损实验中发现，与没有进行渗氮处理的钛合金相比改进了其磨损特征，在通常的实验条件及润滑条件下，渗氮钛合金具有满意的摩擦学性能。但是，在剧烈苛刻条件下，很薄的渗氮层可能随时被剥蚀掉，或者在压应力或冲击应力作用下表层剥落。由于具有足够厚度的渗氮层才能有效地改进基体材料的耐磨损性能，因此如何改进渗氮工艺和渗氮方法，提高渗氮层厚度依然是钛合金渗氮需要进一步研究的重要课题。
渗碳热处理是机械制造工业中历史最悠久、应用最广泛的化学热处理方法，在钢铁热处理理论与实践中占有十分重要的地位。传统的渗碳技术用于提高钢铁材料的表面强度，早已被普遍使用并获得成功。综观世界工业技术发展史，钢铁等材料的渗碳技术的发展取得了长足的进步，由最早的固体渗碳发展为气体渗碳，又发展为真空渗碳，又在向等离子渗碳发展。其中钢铁等材料气体渗碳的发展经历过两次飞跃：一次是从炉气碳势的不可控到炉气碳势可控，即通常所说的可控气氛渗碳；另一次是炉气碳势可控到渗碳件表面碳浓度和渗层中的碳浓度分布可控。与钢铁材料不同，钛和碳能形成具有较高硬度的稳定的碳化物，因此对于钛合金表面进行渗碳处理可以有效提高钛合金表面性能。在钛合金表面渗碳时，β钛和碳之间的碳化层的增长是由碳化层中的钛的扩散速度来决定。碳在《钛中的溶解度小，在850℃时总计为0.3%，而在600℃时大约降到0.1%。由于碳在钛中的溶解度小，所以基本上只能通过碳化钛层及其沉积层来达到表面硬化的目的。在脱氧或者脱碳条件下，在木炭中渗碳时可能形成一层薄的碳化钛层，其硬度为32000MPa,符合碳化钛的硬度。而渗碳层的深度大
于在同等条件下渗氮层的深度。采用气体渗碳剂可能形成特别硬而黏结性能良好的碳化钛硬化层。同时，在950℃-1020℃温度条件下形成的硬化层在50-200之间。随着厚度的增加，碳化钛层变得比较脆，并且趋于剥落。为了避免由于气体分解而使碳的夹杂物侵入碳化钛层，应采用大约体积分数为2%的渗碳气体在惰性气体中进行气体渗碳。
由于气体渗碳可能带来氢脆，许多研究人员开始转向了钛合金的无氢渗碳。在国际上，对于钛合金表面的渗碳研究主要集中在等离子渗碳上，研究发现，在对钛合金等离子扩散处理中使用氮或碳可以提高材料的承载性能。等离子扩散处理后在钛盘管及钛合金表面形成由氮化物和碳化物组成的混合扩散区域，处理后在钛合金表面到内部形成硬度的梯度分布，而在纯氮气环境下进行等离子渗氮后可以有效避免氢脆现象。
研究钛合金渗碳的机理，增大材料的渗碳层厚度和扩散影响层，提高材料的表面硬度和耐磨性，防止氢脆，具有重要的意义。
