钛合金减磨耐磨表面处理技术是延长其服役寿命和拓宽应用范围的重要手段。近期，来自长安大学的研究人员针对钛合金表面采用微弧氧化设计和制备了具有减磨、耐磨效应的陶瓷复合膜层，相关研究成果发表在国际著名期刊：Materials Research Letters，Ultrasonics Sonochemistry，Applied Surface Science，Tribology International，Progress in Organic Coatings，Surface and Coatings Technology。论文第一作者分别为博士研究生宁炳坤、郭紫薇、谢天祥和硕士研究生司同康、李蕾、甘祖宏、叶秋艳，论文通讯作者包括长安大学陈永楠教授、吴蕾副教授、浙江大学占海飞教授、西部钛业有限责任公司侯智敏教授级高工等，合作者包括长安大学李尧副教授、张勇副教授、徐义库教授、西北工业大学花珂教授等。

1. 基于β相形态的Ti-6Al-4V合金组织稳定性研究

  通过分析不同形态的β相对Ti-6Al-4V钛合金的摩擦性能和耐磨性，提出了β相形态对耐磨性的显著影响。研究显示，等轴β相结构比层状β相结构具有更好的耐磨性能，其摩擦系数降低了34.0%，磨损率减少了25.9%。这一改进的原因在于等轴β相具有更好的应变协调性，能够有效减小剪切应力集中，减少磨损过程中的材料移除。通过分析位错类型的激活和剪切应力分布，研究为钛合金表面微观组织结构稳定性和摩擦学性能提供了新的理论思路，尤其是在提高航空结构部件耐磨性方面，具有重要的科学意义。相关成果以题为 “β phase morphology analysis for enhancing friction properties and wear resistance of Ti-6Al-4V alloy”发表在Tribology International上。（原文链接：https://doi.org/10.1016/j.triboint.2024.110196）    

图1 不同β相形态钛合金表征与摩擦学性能

2. 基于骨关节浓度梯度结构MoS₂/TiO₂长效减磨膜层制备技术

   采用改变多次微弧氧化中硫源浓度制备了类骨关节浓度梯度结构MoS₂/TiO₂复合膜层（CGCs），长效服役性能提高50%以上，这是利用浓度梯度结构带来的位错梯度在服役过程中进行位错湮灭消耗应变能转化为势能，并与持续施加的应变构成新的应变梯度，同时利用MoS₂层间结合力较弱缓解剪切应变共同保证梯度结构膜层在长效服役过程中的高效应变传递，实现长效减磨。这项研究为提升钛合金长效服役性能提供了一种新的理论思路。相关成果以题为“Long-term anti-friction gradient coating on titanium alloys by plasma electrolytic oxidation with efficient strain transfer”发表在Materials Research Letters上。（原文链接：https://doi.org/10.1080/21663831.2024.2442031）

图2 类骨关节浓度梯度结构膜层制备表征及长效减磨机理示意图

3. 基于齿结构尺寸梯度结构MoS₂/TiO₂大载荷减磨膜层制备技术    

   通过在微弧氧化过程中分段升压制备了类齿尺寸梯度结构（GSG）的MoS₂/TiO₂复合膜层。随着载荷增加至10 N，平均摩擦系数和磨损量显著降低了65.44%和30.62%。这归因于GSG膜层内不同尺寸的晶粒在高摩擦载荷下的协同变形，促进了应变离域并形成了应变过渡区，能够有效地减轻了应变局部化，并最终实现了卓越的抗摩擦性能。这项研究对于加强钛合金在高摩擦环境中的广泛应用提供一种新的方法。相关成果以题为“Synthesis of bioinspired gradient MoS₂/TiO₂ coatings for enhancing tribological performance of titanium alloys”发表在Applied Surface Science上。（原文链接：https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2024.161296）

图3 类齿尺寸梯度结构膜层制备示意及大载荷减磨机理示意图

4. 原位合成WO₃非晶/晶异质结构界面阻碍位错运动增强膜层高温耐磨性能

   通过调控微弧氧化过程中钨源的含量，制备不同非晶相比例的WO₃/TiO₂复合涂层。研究结果显示，高温环境能够促使非晶相结晶形成非晶-晶异质界面。在磨损过程中，异质界面的存在有效地阻碍了位错的运动，并在纳米晶粒尺寸的限制下，沿界面呈离散堆积；纳米晶与非晶相之间的协同变形及相互作用，使得在磨损试验过程中塑性变形更为均匀，这有助于抑制应变局域化现象，从而显著提升涂层的耐磨性能。本研究对于通过构建非晶-晶体复合结构以增强涂层耐磨性提供了理论依据和实验支持。相关成果以题为“Enhancing high-temperature wear resistance by constructing the amorphous-crystal heterointerface structure in WO₃/TiO₂ composite coatings”发表在Tribology International上。（原文链接：https://doi.org/10.1016/j.triboint.2024.110397）    

图4 非晶/晶异质结构高温耐磨膜层制备表征及机理

5. 超声辅助MoS₂/GO/TiO₂陶瓷膜层：双界面优化提升减摩性能

   通过超声辅助微弧氧化（USPEO）技术，可成功制备具有自润滑特性的MoS₂/GO/TiO₂陶瓷涂层。研究发现，超声作用有效分散了氧化石墨烯（GO），促进了MoS₂的原位合成，并优化其层间距，形成双界面结构。一方面，错位偶极演化释放剪切应力并抑制裂纹扩展；另一方面形成稳定的位错偶极结构，钉扎于界面处以增强变形抗力，提升界面强度。这一双界面优化设计使涂层的摩擦系数降低了90%，该技术为高应力环境下的陶瓷涂层性能提升提供了新思路，适用于航空航天、机械制造等领域。相关成果以题为“Ultrasonic-assisted MoS₂/GO/TiO₂ ceramic coatings: Enhancing anti-friction performance through dual-interface optimization”发表在Ultrasonics Sonochemistry上。（原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2024.107180）    

图5 位错演化诱导的双界面增强效应

6. 基于氧化石墨烯的节能型陶瓷膜层制备方法

   通过在微弧氧化（PEO）过程中调控氧化石墨烯（GO），可以降低能耗的同时提升膜层性能。当GO的加入可使击穿电压降低22.31%，从而使膜层能耗降低约10%，同时，GO有效减少了膜层孔隙率至3.38%，进一步改善膜层结构，使其摩擦系数降低81.25%，耐腐蚀性能提升93.29%，这一技术为多领域的节能与材料防护提供了全新方向。相关成果以题为“Regulation the graphene oxide concentration for the low energy consumption ceramic coating”发表在Progress in Organic Coatings上。（原文链接：https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2023.108200）    

图6 氧化石墨烯调控低能耗膜层的制备机制

7. 渗层+微弧氧化处理工艺实现ZrB₂原位合成增强膜层耐磨性能

   利用卤化物活化填料渗硼（HAPC）和微弧氧化（PEO）技术相结合在钛合金表面原位合成HAPC/PEO复合膜层，利用在膜层表面生成H₃BO₃层状结构显著提高了膜层的耐磨性能和力学性能，并利用Abaqus分析了PEO涂层和HAPC/PEO在摩擦过程中的应力分布和位移变化，发现了H₃BO₃的层状结构在提高HAPC/PEO的耐磨性方面的重要作用。该技术为提高钛合金表面耐磨性能提供了一种新的理论思路。相关成果以题为“Wear-resistant enhanced composite coatings on TC4: Combining halide-activated pack cementation and plasma electrolytic oxidation”发表在Surface & Coatings Technology上。（原文链接：https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2024.131161）    

图7 渗层+微弧氧化双工艺增强膜层耐磨性能

8. 微弧氧化表面二次生长ZIF-8增强膜层疏水性能和耐蚀性能

   将ZIF-8晶体种子预载到微弧氧化钛合金涂层（MAO-Ti）的微孔中，然后通过溶剂热法二次生长ZIF-8，从而合成ZIF-8@MAO封孔涂层。ZIF-8晶体阵列与MAO涂层之间的锚固作用可有效地避免易于传统封孔涂层容易脱离的问题。此外，在MAO-Ti表面上生长的ZIF-8晶体赋予合金的出色疏水性（大于140°）和高稳定性。与原MAO-Ti涂层相比，ZIF-8@MAO封孔涂层的腐蚀性有显着改善，电荷转移电阻（Rct）增加了5个数量级，而电流密度（Icorr）降低了5个数量级，这一技术为合金的绿色环保防护提供了新方向。相关成果以题为“Fabrication of hydrophobic corrosion-resistant microarc oxidation titanium alloy through pore-sealing treatment with secondary growth of ZIF-8 seed crystals”发表在Surface & Coatings Technology上。（原文链接：https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2025.131898）    

图8 微弧氧化表面二次生长ZIF-8疏水膜层制备表征及疏水耐蚀机理