Проведена ультразвуковая ударная обработка (УЗУО) титанового сплава ВТ6 в инертной (аргон) и химически активных средах — на воздухе при комнатной температуре и в жидком азоте при криогенных температурах. Показано, что интенсивная пластическая деформация поверхности в условиях УЗУО способствует формированию наноструктуры (с размером структурных элементов $\alpha$- и $\beta$-фазы 35–53 нм и 27–37 нм соответственно) и протеканию механохимических реакций окисления поверхностных слоёв сплава ВТ6 на воздухе при комнатной температуре и азотирования в жидком азоте. Методами энергодисперсионного анализа и рентгеновской дифрактометрии зафиксировано интенсивное насыщение поверхностного слоя кислородом (до 60 ат.%) с образованием оксида TiO$_2$ (рутил) и азотом (до 25–65 ат.%) с образованием нитридов титана TiN и Ti$_2$N. Максимальный эффект упрочнения (рост микротвёрдости в $\cong$3 раза) и повышение износостойкости (в $\cong$2 раза) поверхности сплава ВТ6 после УЗУО при оптимальном режиме обработки (А = 25 мкм, $\tau$ = 120 с) наблюдается в среде жидкого азота. Обсуждены возможные механизмы окисления и азотирования поверхностных слоёв в условиях их интенсивной деформации. Показано, что применение деформационных методов модификации поверхности титановых сплавов является перспективным направлением повышения их долговечности, в частности износостойкости.