高密度织构与热氧化协同提升钛合金摩擦学性能的机制研究

本文创新性地采用光刻表面织构化（OLST）与热氧化（TO）复合处理技术，在TC4钛合金表面构建15%-50%面积占比的织构及金红石TiO2/α-Al2O3氧化层。研究发现高密度织构通过促进氧扩散使氧化层厚度增至8.5μm，硬度突破800 HV0.1，摩擦系数（COF）降低58%至0.24，首次实现抗磨与减摩性能的协同提升，为航空航天关键部件表面改性提供新策略。

　　

Highlight

通过创新性结合光刻表面织构化（Optical Lithographic Surface Texturing, OLST）与热氧化（Thermal Oxidation, TO）处理，在TC4钛合金表面成功制备出具有15%、30%和50%面积覆盖率的高密度织构，以及由金红石型TiO₂和α-Al₂O₃相构成的硬化氧化层。随着织构密度的增加，氧化层厚度从3.67μm显著增长至8.5μm，同时伴随着氧浓度升高和铝元素向外扩散的增强。

Surface Structural Characteristics

扫描电镜（SEM）图像显示，所制备的表面织构由近似圆形的凹坑按规则矩阵排列组成。值得注意的是，高密度织构的图案保真度出现明显下降，呈现椭圆形趋势——这可能是由于蓝光敏抗蚀刻油墨在紫外光照射下的边缘衍射效应导致。三维表面形貌分析进一步揭示，所有织构底部均保持平坦，且无蚀刻残留物，边缘清晰无毛刺。

Conclusions

1. 1.

   OLST-TO复合处理制备的织构具有清晰的圆形边缘和平整底部，氧化层呈现典型的三层结构：外层多孔TiO₂、中间致密Al₂O₃富集层和内层氧扩散区；

2. 2.

   高密度织构（50%）使摩擦系数从0.57骤降至0.24，磨损率降低超过80%，首次突破传统复合处理难以兼顾减摩与抗磨的技术瓶颈；

3. 3.

   机制解析表明，织构密度提升通过"微陷阱效应"捕获磨屑，同时促进氧化层增厚硬化，这种协同作用为生物医用钛合金植入物表面改性提供了新思路。