鈦合金減磨耐磨表面處理技術是延長其服役壽命和拓寬應用范圍的重要手段。近期，來自長安大學的研究人員針對鈦合金表面采用微弧氧化設計和制備了具有減磨、耐磨效應的陶瓷復合膜層，相關研究成果發表在國際著名期刊：Materials Research Letters，Ultrasonics Sonochemistry，Applied Surface Science，Tribology International，Progress in Organic Coatings，Surface and Coatings Technology。論文第一作者分別為博士研究生寧炳坤、郭紫薇、謝天祥和碩士研究生司同康、李蕾、甘祖宏、葉秋艷，論文通訊作者包括長安大學陳永楠教授、吳蕾副教授、浙江大學占海飛教授、西部鈦業有限責任公司侯智敏教授級高工等，合作者包括長安大學李堯副教授、張勇副教授、徐義庫教授、西北工業大學花珂教授等。

1. 基于β相形態的Ti-6Al-4V合金組織穩定性研究

  通過分析不同形態的β相對Ti-6Al-4V鈦合金的摩擦性能和耐磨性，提出了β相形態對耐磨性的顯著影響。研究顯示，等軸β相結構比層狀β相結構具有更好的耐磨性能，其摩擦系數降低了34.0%，磨損率減少了25.9%。這一改進的原因在于等軸β相具有更好的應變協調性，能夠有效減小剪切應力集中，減少磨損過程中的材料移除。通過分析位錯類型的激活和剪切應力分布，研究為鈦合金表面微觀組織結構穩定性和摩擦學性能提供了新的理論思路，尤其是在提高航空結構部件耐磨性方面，具有重要的科學意義。相關成果以題為 “β phase morphology analysis for enhancing friction properties and wear resistance of Ti-6Al-4V alloy”發表在Tribology International上。（原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.triboint.2024.110196）    

圖1 不同β相形態鈦合金表征與摩擦學性能

2. 基于骨關節濃度梯度結構MoS₂/TiO₂長效減磨膜層制備技術

   采用改變多次微弧氧化中硫源濃度制備了類骨關節濃度梯度結構MoS₂/TiO₂復合膜層（CGCs），長效服役性能提高50%以上，這是利用濃度梯度結構帶來的位錯梯度在服役過程中進行位錯湮滅消耗應變能轉化為勢能，并與持續施加的應變構成新的應變梯度，同時利用MoS₂層間結合力較弱緩解剪切應變共同保證梯度結構膜層在長效服役過程中的高效應變傳遞，實現長效減磨。這項研究為提升鈦合金長效服役性能提供了一種新的理論思路。相關成果以題為“Long-term anti-friction gradient coating on titanium alloys by plasma electrolytic oxidation with efficient strain transfer”發表在Materials Research Letters上。（原文鏈接：https://doi.org/10.1080/21663831.2024.2442031）

圖2 類骨關節濃度梯度結構膜層制備表征及長效減磨機理示意圖

3. 基于齒結構尺寸梯度結構MoS₂/TiO₂大載荷減磨膜層制備技術    

   通過在微弧氧化過程中分段升壓制備了類齒尺寸梯度結構（GSG）的MoS₂/TiO₂復合膜層。隨著載荷增加至10 N，平均摩擦系數和磨損量顯著降低了65.44%和30.62%。這歸因于GSG膜層內不同尺寸的晶粒在高摩擦載荷下的協同變形，促進了應變離域并形成了應變過渡區，能夠有效地減輕了應變局部化，并最終實現了卓越的抗摩擦性能。這項研究對于加強鈦合金在高摩擦環境中的廣泛應用提供一種新的方法。相關成果以題為“Synthesis of bioinspired gradient MoS₂/TiO₂ coatings for enhancing tribological performance of titanium alloys”發表在Applied Surface Science上。（原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2024.161296）

圖3 類齒尺寸梯度結構膜層制備示意及大載荷減磨機理示意圖

4. 原位合成WO₃非晶/晶異質結構界面阻礙位錯運動增強膜層高溫耐磨性能

   通過調控微弧氧化過程中鎢源的含量，制備不同非晶相比例的WO₃/TiO₂復合涂層。研究結果顯示，高溫環境能夠促使非晶相結晶形成非晶-晶異質界面。在磨損過程中，異質界面的存在有效地阻礙了位錯的運動，并在納米晶粒尺寸的限制下，沿界面呈離散堆積；納米晶與非晶相之間的協同變形及相互作用，使得在磨損試驗過程中塑性變形更為均勻，這有助于抑制應變局域化現象，從而顯著提升涂層的耐磨性能。本研究對于通過構建非晶-晶體復合結構以增強涂層耐磨性提供了理論依據和實驗支持。相關成果以題為“Enhancing high-temperature wear resistance by constructing the amorphous-crystal heterointerface structure in WO₃/TiO₂ composite coatings”發表在Tribology International上。（原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.triboint.2024.110397）    

圖4 非晶/晶異質結構高溫耐磨膜層制備表征及機理

5. 超聲輔助MoS₂/GO/TiO₂陶瓷膜層：雙界面優化提升減摩性能

   通過超聲輔助微弧氧化（USPEO）技術，可成功制備具有自潤滑特性的MoS₂/GO/TiO₂陶瓷涂層。研究發現，超聲作用有效分散了氧化石墨烯（GO），促進了MoS₂的原位合成，并優化其層間距，形成雙界面結構。一方面，錯位偶極演化釋放剪切應力并抑制裂紋擴展；另一方面形成穩定的位錯偶極結構，釘扎于界面處以增強變形抗力，提升界面強度。這一雙界面優化設計使涂層的摩擦系數降低了90%，該技術為高應力環境下的陶瓷涂層性能提升提供了新思路，適用于航空航天、機械制造等領域。相關成果以題為“Ultrasonic-assisted MoS₂/GO/TiO₂ ceramic coatings: Enhancing anti-friction performance through dual-interface optimization”發表在Ultrasonics Sonochemistry上。（原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2024.107180）    

圖5 位錯演化誘導的雙界面增強效應

6. 基于氧化石墨烯的節能型陶瓷膜層制備方法

   通過在微弧氧化（PEO）過程中調控氧化石墨烯（GO），可以降低能耗的同時提升膜層性能。當GO的加入可使擊穿電壓降低22.31%，從而使膜層能耗降低約10%，同時，GO有效減少了膜層孔隙率至3.38%，進一步改善膜層結構，使其摩擦系數降低81.25%，耐腐蝕性能提升93.29%，這一技術為多領域的節能與材料防護提供了全新方向。相關成果以題為“Regulation the graphene oxide concentration for the low energy consumption ceramic coating”發表在Progress in Organic Coatings上。（原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2023.108200）    

圖6 氧化石墨烯調控低能耗膜層的制備機制

7. 滲層+微弧氧化處理工藝實現ZrB₂原位合成增強膜層耐磨性能

   利用鹵化物活化填料滲硼（HAPC）和微弧氧化（PEO）技術相結合在鈦合金表面原位合成HAPC/PEO復合膜層，利用在膜層表面生成H₃BO₃層狀結構顯著提高了膜層的耐磨性能和力學性能，并利用Abaqus分析了PEO涂層和HAPC/PEO在摩擦過程中的應力分布和位移變化，發現了H₃BO₃的層狀結構在提高HAPC/PEO的耐磨性方面的重要作用。該技術為提高鈦合金表面耐磨性能提供了一種新的理論思路。相關成果以題為“Wear-resistant enhanced composite coatings on TC4: Combining halide-activated pack cementation and plasma electrolytic oxidation”發表在Surface & Coatings Technology上。（原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2024.131161）    

圖7 滲層+微弧氧化雙工藝增強膜層耐磨性能

8. 微弧氧化表面二次生長ZIF-8增強膜層疏水性能和耐蝕性能

   將ZIF-8晶體種子預載到微弧氧化鈦合金涂層（MAO-Ti）的微孔中，然后通過溶劑熱法二次生長ZIF-8，從而合成ZIF-8@MAO封孔涂層。ZIF-8晶體陣列與MAO涂層之間的錨固作用可有效地避免易于傳統封孔涂層容易脫離的問題。此外，在MAO-Ti表面上生長的ZIF-8晶體賦予合金的出色疏水性（大于140°）和高穩定性。與原MAO-Ti涂層相比，ZIF-8@MAO封孔涂層的腐蝕性有顯著改善，電荷轉移電阻（Rct）增加了5個數量級，而電流密度（Icorr）降低了5個數量級，這一技術為合金的綠色環保防護提供了新方向。相關成果以題為“Fabrication of hydrophobic corrosion-resistant microarc oxidation titanium alloy through pore-sealing treatment with secondary growth of ZIF-8 seed crystals”發表在Surface & Coatings Technology上。（原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2025.131898）    

圖8 微弧氧化表面二次生長ZIF-8疏水膜層制備表征及疏水耐蝕機理