钛及钛合金因具有较高的比强度、优异的生物相容性、出色的耐腐蚀性以及良好的韧性等优势，被广泛应用于航空航天、船舶、生物医学等领域[1-4]。然而，摩擦因数大、耐磨性差、磨粒磨损、黏着磨损严重等缺陷限制了钛合金在摩擦领域中的应用。研究表明，从材料制备成形和热处理方面改善钛合金摩擦学性能的效果非常有限[5-9]。由于表面工程技术能够赋予材料表面全新的组织、成分和性能，常被用于提高钛合金表面的摩擦学性能[10-12]。按照表面处理途径进行分类，常用于改善钛合金摩擦学性能的表面技术有：表面涂覆[13]、表面改性[14]、表面自纳米化[15]和钛基材料处理[16]等。
仿生研究表明，除了传统的表面技术外，适当的表面形貌和图案设计可以提高材料的摩擦学性能[17]。从传统的观点来看，光滑的表面应该更有利于提高工程部件的摩擦学性能。然而，研究人员发现自然界中有条理花纹图案以及罗布凹凸点阵的非光滑表面通常也具有良好的摩擦学性能。例如，壁虎不光滑的脚趾表皮能够抵抗磨损、增加黏附力[18]；叶脉带有纹理的主干能够有效地在地底深处减小摩擦和应力[19]；鲨鱼皮肤表面的微菱形结构有助于在潜水过程中减小阻力、增大流动性[20-21]。自然界中的非光滑表面为材料科学家等带来了许多有意义的启发。研究表明，通过模仿自然界中的非光滑表面，并对材料表面的点阵、网纹沟槽、常见的几何图形等典型仿生图案进行合理的设计，可以在一定程度上复原生物性的减摩功能。
表面织构是指在零件表面上加工出具有一定形状、尺寸和排列规则的凹坑或凸起微结构阵列[22]。目前，常用的表面织构加工技术有激光加工技术（LST）[23]、电解加工技术（ECM）[24]、化学刻蚀（EC）[25]、电火花加工（EDM）[26]、光刻蚀（LIGA）[27]和超声振动辅助加工（UVAM）[28]等技术。在材料表面制备出具有一定尺寸及排列规则的几何阵列，能够有效改善材料表面的摩擦学性能。此外，表面微织构还具有提升表面超疏水性[29]、增强润湿性能[30]、提升材料黏接强度[31]等结构优势。
在摩擦学领域，表面织构技术已被证实是一种效果明显且非常经济的表面处理技术，并能够应用于多种材料，在工程领域引起了越来越多的关注。因此，在过去的一段时间内，表面织构技术也被广泛用于改善钛合金的摩擦学性能。本文概述了表面织构制备方法、织构类型和减摩机理，综述了表面织构技术以及表面织构技术与固液润滑等表面处理技术协同作用下钛合金摩擦学性能的研究现状。本文的研究框架如图1所示。
1、表面微织构对钛合金摩擦学性能的影响
1.1表面织构的减摩机理
在干摩擦下，表面织构对摩擦副表面的减摩机理可以分为两方面：1）表面织构的存在能够有效储存摩擦副表面相互摩擦时脱落下来的磨粒和磨屑，减缓磨粒和磨屑对摩擦副表面的进一步磨损；2）表面织构的存在可以有效减少摩擦副固体表面间的实际接触面积，进而起到降低摩擦和减小磨损的作用[32]，如图2a所示。王剑飞等[33]通过有无织构储存磨屑实验来验证织构化表面是否可以降低Ti6Al4V钛合金的摩擦因数。结果表明，在清除磨屑以后，织构表面较无织构表面的摩擦因数明显下降，但在未清除磨屑时，大颗粒磨屑的堆积会导致织构表面较无织构表面的摩擦因数更大。
在边界润滑或混合润滑下，摩擦副在一定载荷作用下的相对运动会使表面发生一定的挤压变形，储存在表面织构内的润滑液被挤压出来，使表面织构起到“二次润滑”的作用，既能减小摩擦，还能在一定程度上防止咬合[32]，如图2b所示。Hu等[34]使用不同黏度的油作为润滑剂测试了钛合金表面织构的摩擦学性能，研究发现与非织构表面相比，织构导致了较低的摩擦因数和磨损量；由于凹坑附近动水压力的增加和表面织构的二次润滑作用，特别是在油黏度较高的情况下，润滑油膜的厚度增加。
在流体润滑下，表面织构的减摩机理主要是流体动压润滑作用，润滑油在相对运动下形成连续的油膜，避免了摩擦副直接接触。而表面织构可以在摩擦界面中形成许多收敛和发散的空间，使润滑油经过时产生流体动压效应，从而提高油膜的承载能力[32]，如图2c所示。王优强等[35]研究了沟槽型表面织构钛合金在流体润滑下的摩擦学性能，结果表明，合理的表面织构分布具有储存磨屑、润滑补油的作用，而且在一定的载荷作用下，当滑动速度足够大时，合理分布的表面织构可以直接使摩擦副表面的润滑状态由边界润滑转变为流体润滑，从而使摩擦因数大幅下降。
1.2织构形状对钛合金摩擦学性能的影响
目前，钛合金的表面织构主要是通过表面“减材”的方式制备的，常见的织构形状主要包括点阵、网纹、沟槽等，见表1。研究表明，不同形状、尺寸的表面织构都对应不同的摩擦学性能以及不同的最佳面积率。殷唯等[36]研究了直径90μm的圆形、边长80μm的矩形、边长120μm的三角形三种织构的Ti6Al4V合金在干摩擦条件下与304不锈钢球对摩时的耐磨性。结果表明，与其余两种织构类型相比，边长120μm的三角形织构在相同工况下表现出更好的耐磨性能。连峰等[37]研究了直线织构、网格织构、凹坑织构三种织构，以及100、200和300μm三种间距的Ti6Al4V钛合金表面在干摩擦条件下与Si3N4球对摩时的摩擦学性能。结果显示，当间距为200、300μm时，凹坑织构的摩擦因数明显小于其他织构及无织构样品。王明政等[38]对比了不同织构参数的TC4钛合金在油润滑条件下与Si3N4陶瓷球对摩时的摩擦性能。结果表明，网格型织构对钛合金耐磨性的提升更显著，其中宽度和间距均为200μm的网格型织构磨损率最低。这是由于织构具有收集磨屑与储存润滑油的作用，从而减轻了钛合金的磨粒磨损和黏着磨损。徐鹏飞等[39]通过正交试验研究了Ti6Al4V钛合金网格型织构的最佳织构参数。实验表明：当网纹宽度为0.2mm，深度为0.125mm，间宽比为10，角度为45°时，摩擦副的稳态摩擦因数最小；当网纹深度为0.05mm，角度为45°时，摩擦副磨损量最低。
除了一些常见的织构形状外，还有一些特殊的仿生织构对改善钛合金的摩擦性能有着明显的效果，任荣杰等[43]在Ti6Al4V钛合金表面制备了仿生树状分叉网络织构（十字型网络、T型网络、Y型网络），研究了在润滑条件（Hank溶液）下与UHMWPE对摩时的摩擦性能。结果表明，低织构率的仿生树状分叉网络织构可以更有效地降低摩擦因数，其中T型网络的减摩性能最明显，这是由于织构化的表面可以促使液体在表面完全铺展，并可以起到一定的润滑剂补偿作用。Salguero等[46]设计了边长为0.5、1.0、1.5和2.0mm的45°方形锥体织构，研究了不同条件下的样品摩擦因数。结果显示，织构大小对摩擦因数和磨损效果有显著影响。此外，郑清春等[45]在TC4钛合金表面设计了菱形织构，研究了菱形织构的分布情况对摩擦性能的影响。实验结果证明，在牛血清蛋白润滑条件下，随着菱形织构对角线长度和深度的增加，摩擦因数呈先增后减趋势，当长度为447μm、深度为10μm时，摩擦因数降为最低。
1.3织构参数对钛合金摩擦学性能的影响
微织构在材料表面的密度是影响钛合金表面摩擦学性能的重要因素之一。通过直接影响表面的接触面积和磨损颗粒的捕捉能力，合适的织构面密度可以提升钛合金表面的耐磨性和承载能力。Salguero等[47]研究了干摩擦及润滑条件下锥体织构分布密度对Ti6Al4V钛合金表面摩擦因数的影响。结果显示，在干摩擦条件下，由于表面织构具有收集磨屑和减少直接接触面积的作用，COF的减少接近65%，而在润滑条件下，润滑剂储存能力的提高导致润滑剂与磨屑形成磨料膏体，使表面的摩擦磨损性能恶化。孙建芳等[48]在Ti6Al4V钛合金表面构造了不同密度（34.9%、19.6%、8.7%和5.4%）的织构图案，研究了在干摩擦条件下样品表面的摩擦学性能。实验结果显示，密度为8.7%的织构表面展现了最优的摩擦学性能；与无织构表面相比，其摩擦因数降低了23.0%。牛一旭等[49]在钛合金表面制备了不同密度（5%、10%、15%、20%）的凹坑织构，研究了在乏油条件下不同载荷、不同速度对钛合金摩擦磨损性能的影响。结果显示，在载荷较低的条件下，面密度为20%的织构可以降低平均摩擦因数20%~30%，表现出良好的减摩耐磨效果。
微织构的排列方式或者倾斜角度也会对钛合金表面的摩擦学性能有较大的影响。Wang等[50]研究了沟槽型织构的取向对Ti6Al4V钛合金表面摩擦学性能的影响，图3为干摩擦条件下磨屑的分布情况。结果显示，平行凹槽织构的减摩效果最明显，COF从1.1下降到0.8，考虑到摩擦副均为Ti-6Al-4V，它们的相互黏附会增加摩擦因数。随着磨损的进行，磨屑层有效地将2个接触面分开，摩擦因数迅速下降，随后保持稳定。根据对具有平行取向凹槽的样品或无纹理样品的微动测试发现，在整个微动测试期间仅观察到COF的小幅振荡，具有相对的稳定性。徐鹏飞等[39]通过正交试验研究了水润滑条件下Ti6Al4V钛合金网纹型织构与Si3N4陶瓷球对摩时的摩擦学性能。结果表明，当网纹宽度为0.2mm、深度为0.125mm、间宽比为10、角度为45°时，摩擦副的稳态摩擦因数最小。陈文刚等[51]研究了对摩角度对间距为100μm的等宽栅条织构钛合金表面摩擦性能的影响。结果显示，在任意对摩角度下，织构化表面的摩擦因数都明显小于平滑表面的摩擦因数，且对摩角度为45°和90°时，织构化表面的摩擦性能优于对摩角度为0°时织构化表面的摩擦性能。
微织构的形状几何参数也是影响钛合金表面摩擦学性能的重要因素。周鑫鑫等[52]研究了液体润滑条件下凹坑织构的直径对钛合金表面与GCr15钢球对摩时摩擦学性能的影响。结果显示，随着织构化图案尺寸的增加，摩擦因数呈现减小的趋势。其中，直径为1000μm的凹坑织构钛合金表面表现出最优的摩擦学性能。毛璐璐等[53]通过响应面法建立了钛合金表面织构参数（凹坑直径、深度）与接触角和摩擦因数之间的二次回归模型，得出钛合金织构表面的接触角随着凹坑织构面积率和凹坑深度的增加而增大，同时，钛合金织构表面的凹坑面积率和凹坑直径的交互作用对摩擦因数的影响最显著。Dinesh等[54]通过滑动摩擦实验研究了Ti6Al4V钛合金表面织构不同尺寸的磨损情况。结果显示，采用适当的表面织构和摩擦参数可以有效降低钛合金的磨损率，其最佳组合为凹坑直径160μm、载荷10N、滑动速度0.5mm/s，其参数对应的表面磨损率降低了94.6%、摩擦因数降低了0.25。可见，许多研究者都在寻找钛合金表面织构的最佳数据，但影响其发挥作用的因素有很多，包括织构参数、排列方式、摩擦角度、工况条件等。此外，钛合金材料的型号、钛合金表面的初始粗糙度以及表面织构的制备偏差等因素也会影响钛合金表面的摩擦学性能。
不同学者通过对比分析磨痕微观形貌，发现未织构化处理的钛合金的磨损形式主要为磨粒磨损和黏着磨损，表面织构具有降低实际接触面积、储存磨屑等作用，能够明显提升钛合金的自润滑性能。同时，磨屑的储存有利于摩擦氧化层的产生，进一步对基体材料形成保护作用。在润滑状态下，微织构的存在更容易储存润滑油，具有减小摩擦因数、增强润滑的作用，从而减轻钛合金的磨粒磨损和黏着磨损。由于不同的织构形状、织构尺寸、织构密度等对表面减磨性能的影响不同，因此，应根据不同的工况条件，选择合适的织构参数。
2、基于表面微织构的复合处理对钛合金摩擦学性能的影响
不少学者将表面微织构技术与固液润滑剂、表面涂层、热扩渗等技术进行复合处理，既可以发挥不同技术优良的减摩特性，又可以达到“1+1＞2”的效果，从而进一步改善钛合金表面的摩擦学性能。
2.1表面织构与液体润滑剂的协同作用
近年来，表面织构与液体润滑剂的协同作用对钛合金表面摩擦学性能的影响受到学者广泛的关注，织构化表面对液体润滑剂的储存及流动具有明显的正向作用。Hu等[34]研究了表面织构与不同黏度的油润滑剂的协同作用对钛合金摩擦磨损的影响，结果表明，随着承受载荷的增加，低黏度油与织构表面的组合对钛合金表面的减摩效果明显下降，但使用高黏度的油润滑时，在更高的速度和载荷下，凹坑织构的增益效果仍非常明显。这是由于凹坑附近动水压力的增加和二次润滑的作用，特别是在高黏度油润滑时润滑油膜变厚，并且凹坑织构的存在使边界润滑向流体润滑转变。张涌海等[55]对比了富油润滑条件下等宽栅条织构（50、100、150、200μm）和均布点坑织构（50、100、150、200μm）对Ti6Al4V合金摩擦性能影响的差异。实验结果显示，100、150、200μm栅条表面和200μm点坑表面减摩效果较好，由于等宽栅条织构和均布点坑织构都具有储存油液、利于形成润滑油膜、收集磨屑的作用，两种织构类型在不同载荷条件下都具有降低摩擦因数的效果。李星亮等[56]研究了微织构对TA2纯钛表面在海水中的摩擦学行为的影响。结果显示，海水条件下微织构对TA2表面的摩擦学性能没有明显影响。这是由于在海水中微织构TA2表面容易发生氧化，并且织构会增加表面与海水的接触面积，从而促进氧化腐蚀，在摩擦实验中TA2表面上的微织构在较短的时间内被磨损破坏。
此外，磁流体等液体润滑剂因其独特的润滑机制可以在很大程度上改善润滑性能。莫君等[42]研究了磁流体的极性对钛合金光滑表面和沟槽型织构表面摩擦学性能的影响，样品在水基磁流体、煤油基磁流体、去离子水和煤油为润滑剂的条件下与Si3N4陶瓷球对摩。结果显示，极性磁性颗粒能有效降低摩擦因数和磨损宽度，使摩擦因数下降了8.4%，磨痕宽度下降了8.5%，如图4所示，这是由于在织构表面，磁性颗粒会填充到织构内部，而磁性颗粒可以起到稳定摩擦因数、减小摩擦过程的振动冲击等作用，有效降低纳米磁性颗粒对表面的损伤，如图5所示，与极性磁性颗粒相比，由于非极性磁性颗粒没有与钛合金表面发生吸附作用，所以没有形成保护膜。在外加磁场的条件下，极性颗粒的极性头容易吸附到表面能高的表面，从而增大油膜的厚度和刚度，减轻磨损状况。王优强等[57]研究了TC4钛合金在不同磁场强度下不同质量分数水基磁流体润滑时钛合金表面的摩擦因数，结果表明，在水基纳米磁流体润滑条件下，当织构间距为150μm和250μm时，材料表面的摩擦因数进一步降低，而织构间距为350μm时，其摩擦因数略高于光滑表面，而且不同质量分数的水基磁流体都表现出一定的减摩效果，其中质量分数为1.2%的磁流体减摩效果最好，摩擦因数降低了16.7%。在施加外磁场时，样品在不同质量分数水基磁流体润滑时的磨损量都比基液水润滑时低。但随着颗粒质量分数和磁场强度的增大，磨损量逐渐减少。周鑫鑫等[52]研究了织构化钛合金在离子液体润滑条件下的摩擦学性能。结果显示，在选定织构参数的情况下，织构化表面与离子液体组合形成复合润滑体系的润滑效果优于表面织构或离子液体单一体系的润滑效果，这主要是由于表面织构可以作为固/液润滑介质的储存器，在摩擦过程中对润滑剂起到补偿作用。
2.2表面织构与固体润滑剂的协同作用
研究表明，微织构与固体润滑剂的协同作用可以有效改善钛合金表面的摩擦学性能。常用的固体润滑剂包括石墨、二硫化钼和氟化物等层状固态物质，以及塑料和树脂等高分子材料。在摩擦过程中，通过连续将存储在微织构中的固体润滑剂转移，从而在摩擦副表面保持固体润滑剂膜状态。Hu等[58]采用表面织构和MoS2润滑剂对Ti6Al4V钛合金表面的摩擦学性能进行协同处理，探究了干摩擦条件下织构密度对样品摩擦学性能的影响。结果显示，由于织构凹坑对磨屑的有效捕获，而且将凹坑中的MoS2转移到凹坑之间的空间中，形成了一种连续的固体润滑膜，织构密度较高（23%、44%）的样品的摩擦因数低于较低密度织构（13%）和无织构的样品，如图6a所示。Segu等[59]通过正交试验探究了微凹坑表面织构与MoS2润滑剂的复合处理技术对Ti6Al4V表面摩擦磨损特征的影响。结果表明，与无织构表面相比，复合处理样品表面的摩擦因数降低了10%~15%，如图6b所示。Wu等[40]通过高速干滑动实验研究了表面织构与MoS2润滑剂协同处理的Ti6Al4V钛合金的耐磨性。实验结果表明，除了可以有效降低摩擦因数及其波动之外，填充有固体润滑剂的织构表面还可以通过在摩擦界面处形成薄润滑膜来减少钛样品的磨损损失和对摩件上的黏附力。
在优化织构参数方面，夏俊超等[60]研究了使用织构化表面和二硫化钼润滑剂对Ti6Al4V合金表面改性时最优的织构参数。结果显示，复合处理技术可以在很大程度上改善钛合金的摩擦性能，当织构直径为300μm、密度为30%时表现出最佳的耐磨性能。赵乾程等[61]研究了表面织构和MoS2固体润滑薄膜复合处理的TC4合金与GCr15钢球对摩时的摩擦学性能。结果显示，当织构密度为20%时，复合处理后的TC4合金表面表现出最好的摩擦学性能。在优化织构图案方面，Ripoll等[62]通过往复滑动摩擦试验研究了表面织构和MoS2润滑薄膜协同处理的Ti6Al4V钛合金与100Cr6球对摩时的耐磨性。结果显示，当织构化的表面凹坑按照六角形图案排布时可以产生更有效的磨损颗粒捕获效果。此外，表面上微观结构的存在有利于提高固体润滑剂与表面织构之间的结合能力。马震等[63]将表面织构、热氧化膜与PTFE润滑薄膜复合制备了自润滑复合耐磨表面，分别制备了织构间距为420、265和210μm，直径为150μm的线型织构与圆形织构，结果表明，与无织构表面的润滑薄膜相比，织构表面上薄膜的结合力明显增大，同时比较两种类型的织构化表面，可以看出，线型织构化表面的摩擦因数均小于圆形的织构化表面，在相同的织构宽度与织构间距条件下，线型织构表面具有最低的摩擦因数0.11，与圆形织构的0.14相比显示出更优的减摩效应。同时，对比两种织构化表面的抗磨损能力，线型织构具有更低的磨损量，高织构密度显示出更佳的耐磨性能，主要原因在于：对两种织构来说，在点接触形式下，摩擦对偶球与线型织构接触的接触面积明显要大于圆形织构，这更有利于润滑薄膜的补充与维持，得益于高密度微织构对润滑介质的有效补充以及高硬度热氧化膜的减摩抗磨作用，表面织构与润滑薄膜的结合显著增强了材料的减摩抗磨性能，如图7所示。
表面织构与固液润滑剂协同作用对钛合金摩擦学性能的积极影响还在于以下几个方面：储存固体润滑剂和油脂以提供持续润滑或再润滑，改善液体润滑下的弹流动力效果，捕获磨损碎片，最大限度地减少磨料磨损，并减小标称接触面积。表面具有不同织构的钛合金能够获得较高的比表面积，这对材料表面本身的亲水性或疏水性都有显著的影响。具有一定固体润滑剂覆盖的织构化表面可以明显提高钛合金的性能。
2.3表面织构与表面涂层技术的协同作用
由于钛合金化学活性高、热传导率低等特点，在摩擦过程中其接触面非常容易发生氧化而形成氧化层。同时，在摩擦运动过程中氧化层的持续生成和磨损导致基体材料不断被消耗，在尺寸、接触间隙等方面对摩擦副造成负面影响。近年来，大量学者将表面织构技术与涂层相结合进行研究，尝试在钛合金表面附加涂层来保护钛合金基体，减小其磨损量。Prem等[64]和Ananth等[65]分别研究了物理气相沉积的TiAlN涂层（如图8a、8b所示）和AlCrN涂层与表面织构的协同处理对Ti6Al4V合金表面摩擦学性能的影响，结果显示，织构化的表面促进了涂层与钛合金表面的化学亲合性和机械结合强度，并且复合处理后样品表现出较低的磨损速率，显著增强了钛合金的摩擦学性能。Muthuvel等[66]采用表面织构与AlCrN涂层填充织构表面相结合的方法对Ti6Al4V钛合金表面进行改性如图8c所示，研究了样品干摩擦条件下的摩擦学性能。结果显示，由于在织构表面上均匀分散的涂层具有一定的完整性和良好的附着力，织构表面的磨损寿命相对提高，磨损率也相对降低。此外，Ananth等[67]研究了表面织构、TiAlN/AlCrN涂层以及MoS2润滑薄膜协同处理（如图8d所示）对Ti6Al4V合金表面摩擦性能的影响。结果显示，在摩擦实验初期摩擦因数仅为0.1，随着实验进行，当MoS2涂层被去除后，硬质合金涂层仍可以起到保护作用，降低摩擦磨损消耗，显著提升了钛合金的摩擦学性能。徐上等[68]则在脂润滑条件下研究了TiAlSiN涂层与表面织构复合处理的TC11钛合金的摩擦学性能。结果显示，在室温滑动摩擦条件下TiAlSiN涂层能够保护基体减小磨损，表面织构能够进一步减小摩擦因数。席晓莹等[69]采用超声滚压技术在正方形织构TC4合金表面涂覆Al2O3涂层，研究了样品与Si3N4陶瓷球对摩时的摩擦学性能。结果表明，与单一织构相比，复合处理后钛合金表面表现出更优的摩擦学性能，摩擦因数和磨损率分别降低了60%和30%。
由于钛合金等金属基底的高硬度和内应力，导致类金刚石涂层在工作过程中甚至在涂层涂覆过程中发生剥落，难以在钛合金等金属基体上直接制备。近年来，多项研究表明，类金刚石（DiamondLikeCarbon）薄膜与表面织构结合可显著提高金属基板的摩擦学性能。He等[70]结合表面织构技术和类金刚石薄膜对Ti6Al4V钛合金进行表面改性，研究了样品与ALS5200球对摩时的耐磨性。结果显示，由于织构凹坑捕获了大部分磨损碎片，DLC涂层保持了表面硬度，复合处理样品的耐磨性要优于单一处理样品。Peng等[71]研究了激光微织构和类金刚石涂层对钛合金表面的协同减摩耐磨效果，对比了单一织构、单一涂层、织构涂层三种组合的摩擦学性能，结果如图9所示，织构试样、DLC涂层试样和织构DLC涂层试样的摩擦因数分别降低了43.7%、75.8%和80.6%，织构涂层钛合金表面摩擦学性能最好，摩擦因数为0.08。李振东等[72]通过TC4钛合金表面织构化与制备碳基薄膜涂层的复合处理技术，研究了样品与Si3N4陶瓷球对摩时的摩擦性能。结果表明，与未进行复合处理的样品相比，样品摩擦因数以及磨损率都明显下降。
除了以上常见的涂层类型外，Xu等[73]采用两步工艺制备了掺Ti和Al的表面织构类金刚石薄膜（Ti/Al-DLC），研究了不同韧窝织构面积密度（0%~40%）对Ti/Al-DLC摩擦学性能的影响。结果表明，与无织构Ti/Al-DLC相比，韧窝织构面密度为5%的样品表面摩擦因数降低了17.8%，磨损率降低了44.5%。然而，随着织构面密度从5%进一步增加到40%，局部高接触压力导致摩擦界面石墨化不足，粗糙度增加，摩擦界面的滑动受到抑制，摩擦学性能减弱。朱翊航等[74]对比了表面织构与DLC/TiAlN涂层技术复合处理技术，并对TC11钛合金进行了表面改性，研究了不同织构密度对样品的摩擦学影响。结果显示，复合处理后的样品显著改善了钛合金的摩擦学性能，涂覆DLC涂层的表面摩擦因数最低仅为0.079；涂覆TiAlN涂层的表面摩擦因数最低仅为0.068。Kashyap等[75]在DLC沉积之前结合激光表面织构和热处理来改善表面摩擦性能。网纹织构表面经过热处理后，沉积了带有Cr夹层的DLC涂层如图10所示。结果显示Cr2O3和TiO2相在层间具有优异的结合，证明了黏合强度提高，表面织构和DLC涂层的协同作用实现了最低的摩擦因数。
2.4表面织构与热扩渗技术的协同作用
等离子体浸没离子注入（PlasmaImmersionIonImplantation）是通过将等离子体中的加速离子作为掺杂物注入基体的一种表面改性技术[76]。为了提高钛合金的表面耐磨性，研究者结合表面织构技术与等离子体浸没离子注入对钛合金表面进行了协同处理。氮是一种很好的固化剂，将氮离子注入钛合金表面后会形成高熔点、高硬度的渗氮层，渗氮层的高硬度和表面织构对磨屑的捕集作用相结合，使钛合金表面具有优异的耐磨性和较低的摩擦因数。Cao等[77]将表面织构化技术和等离子体渗氮技术相结合，在方形织构表面上制备渗氮层，如图11所示，分别研究了激面织构、氮离子注入和不同织构密度对钛合金摩擦学性能的影响。结果表明，在最佳织构密度25%下，由于高硬度氮化物层的形成，织构化表面试样的摩擦因数显著下降，且耐磨性最大提高405%。Wang等[78]采用等离子渗氮炉对钛合金表面进行渗氮，研究了复合处理对钛合金表面在真空条件下摩擦学性能的影响。结果表明，由于等离子体氮化能明显提高钛合金表面的硬度，表面织构与氮化的复合处理能够明显降低钛合金表面在摩擦过程中的塑性变形和黏着磨损。Kang等[79]发现，随着渗氮温度的升高，钛合金表面渗氮层的氮化物含量增加（如图12所示）、表面硬度也增加。当氮化温度较低（750~850℃）时，由于黏接磨损占主导地位，等离子体氮化和织构化的复合处理样品的磨损量大于单一氮化处理后的磨损量；当渗氮温度较高（900~950℃）时，磨粒磨损占主导地位，复合处理后试样的磨损量小于单一渗氮处理后试样的磨损量。为了改善钛合金在航天和航空等恶劣环境中的摩擦磨损性能和服役性能，李星亮等[80]在TA2纯钛上制备了点阵织构，采用低温离子渗氮技术对织构进行渗氮处理，并模拟样品在月壤介质条件下与AISI52100钢球对摩时的摩擦学性能。结果显示，渗氮处理能够大幅提高微织构表面的减摩耐磨性能。
除了常见的氮离子注入外，Yuan等[81]还探究了表面织构与等离子体表面钼化的双重处理对Ti6Al4V合金表面摩擦学性能的影响，如图13所示。由于表面织构使Mo层与Ti6Al4V合金基体的结合更加紧密、均匀，与未处理的Ti6Al4V合金表面相比，织构密度为5%的复合处理Ti6Al4V合金的耐磨性低48.7%，且复合处理后的主要磨损机制为轻微磨粒磨损。此外，Yuan等[41]采用表面织构与双层辉光等离子体表面渗锆双重处理技术来提高Ti6Al4V合金的耐磨性，对复合处理、渗锆处理、织构处理、无处理Ti6Al4V合金4种试样的耐磨性进行了对比研究。结果如图14所示，4种试样的磨损率由小到大为：复合处理Ti6Al4V合金<锆化Ti6Al4V合金<织构Ti6Al4V合金<无处理Ti6Al4V合金。Zhang等[82]研究了激光织构（LaserTextureComposite）、激光渗碳（LaserCarburizingCarburizing）和激光织构渗碳复合（LaserTexturedCarburizingComposite）涂层的摩擦学性能对钛合金摩擦学性能的影响，此外，由于热膨胀性能不匹配、膜/基材界面的润湿性不同等，涂覆在医用钛合金上的类金刚石碳薄膜（DLC）存在涂层附着力不足的问题。为了增强DLC涂层的附着力，采用不同织构密度和不同激光渗碳功率对钛合金基体表面进行处理，并比较激光织构（LTC）、激光渗碳（LCC）和激光织构渗碳复合（LTCC）涂层的结合强度。结果表明，与仅抛光处理的DLC涂层相比，LTC、LCC和LTCC试样的结合强度分别提高了1.52、1.62和2.14倍。同时，由于织构化处理提高了基体的比表面积，激光渗碳处理提高了涂层的形核密度，织构密度和激光渗碳功率对黏附性能和摩擦学性能有显著影响。Dong等[83]对Ti6Al4V基体表面进行了激光变形和渗碳处理，制备了三种不同的DLC涂层样品：具有激光纹理基板的DLC涂层，称为TDLC；DLC涂层与激光渗碳基材，命名为CDLC；DLC涂层与混合激光纹理和渗碳基板，命名为TCDLC。同时，还制备了机械抛光DLC涂层（ODLC）进行对比。通过球盘磨损试验，得到了样品的摩擦学性能。如图15所示，与COF为0.46的ODLC相比，CDLC和TDLC的COF分别为0.4和0.17，TCDLC的COF最低，为0.11。这表明织构与渗碳的协同作用对提高DLC涂层的摩擦学性能最为有效。
此外，热氧化技术也常用于提高钛合金的表面性能，经热氧化处理的钛合金表面会形成由钛氧化层和氧扩散层组成的硬质氧化膜。
钴铬钼轴承材料具有优良的耐磨性，但由于铬离子的细胞毒性问题，需要用生物相容的金属材料来替代。钛合金是一种生物相容性材料，常被用作髋关节的柄和髋臼壳。然而，钛合金由于其耐磨性较差而未被用作轴承材料。Lee等[85]分别采用表面织构、热氧化和热氧化-表面织构的方法对钛合金表面进行改性。结果显示，与其他试样相比，热氧化织构钛合金表面作为轴承表面表现出最佳的摩擦磨损性能，摩擦因数降低了62%，耐磨性提高了300倍。Yuan等[86]采用热氧化技术在织构Ti6Al4V钛合金表面涂覆TiO薄膜，研究了样品与Si3N4陶瓷球对摩时的耐磨性。结果显示，与无织构及单一织构试样相比，复合处理的钛合金表面的比磨损率减小95.2%。徐家乐等[87]在钛合金表面上制备了圆坑织构，研究了在高温条件下样品与Si3N4陶瓷球对摩时的摩擦学性能，结果表明，织构样品在常温和高温磨损环境下的摩擦学性能均优于无织构样品；织构样品的磨损机制从常温下的磨粒磨损和轻微氧化磨损转化为高温下的严重氧化磨损。由于圆坑的磨屑收集特性及微织构表面在摩擦载荷作用下可形成连续致密的摩擦氧化物层，因此微织构试样表现出更好的高温耐磨性能。Liu等[88]采用激光表面织构（LST）-热氧化（ThermalOxidation）复合表面处理技术对TA2基体进行了表面处理。利用光纤激光加工设备制备了直径为300mm、密度为5%的凹坑状织构。在650℃下热处理30h，制备了热氧化薄膜（TO-TA2），在干摩擦条件下对DT-TA2（复合处理TA2）、LST-TA2、TO-TA2和TA2基体复合处理试样的抗磨性能进行了对比评价。结果表明，经TO处理后，TA2的表面硬度和弹性模量均有所提高，得到的TO涂层与TA2基体具有较强的结合强度。磨损率从大到小为：DT-TA2<TO-TA2<LST-TA2<TA2。上述学者都证明了表面织构技术与热氧化、扩散、离子渗氮等技术能够弥补单一表面处理的缺点，将多种技术同时处理可以进一步提高钛合金表面的摩擦学性能，增强钛合金的表面硬度，延长使用寿命。
3、结语与展望
表面技术是解决钛合金表面硬度低、摩擦因数高、耐磨性不足等问题的有效途径。在摩擦学相关领域，表面织构被认为是改善材料摩擦学性能的有效方法。随着表面织构研究的深入和扩展，钛合金的表面织构也在生物相关领域得到了较多应用。本文综述了表面织构技术，以及表面织构技术与固液润滑剂、涂层技术、热扩渗技术等协同作用改善钛合金摩擦学性能的研究现状。
1）根据某些生物的减磨特性，规划设计合适的织构几何参数以及织构形貌能够改善钛合金的摩擦学特性。目前，钛合金表面织构形状单元基本以圆坑、网纹沟槽和基础几何图形为主，更多特殊复杂的仿生织构有待继续深入研究。
2）表面织构对钛合金摩擦学性能的积极作用表现在多个方面，如储存固液润滑剂和润滑脂以提供连续润滑或再润滑，改善液体润滑下的流体效应，捕获磨粒，减少磨粒磨损。但关于表面织构与磁流体在磁场作用下的减摩效果还需要继续研究，需测试更多的磁流体润滑剂。
3）表面织构与金属涂层或者类金刚石涂层的协同作用能够充分发挥表面织构和表面涂层技术的优势，互相弥补所存在的部分缺陷，可以达到减小材料间实际接触面积的效果，从而改善钛合金表面的摩擦性能。但多种复合涂层与表面织构协同作用下钛合金的摩擦学性能仍有待进一步研究。
4）表面织构与热扩渗技术协同作用能较好地改善钛合金的摩擦性能，但两种工艺结合的先后顺序对钛合金表面结合强度及摩擦特性也会产生不同的影响，探究两种技术复合后的减摩机制以及先后顺序可以更好地改善钛合金表面的摩擦性能。
5）为了满足航空航天等关键领域的要求，需开展极端工况下钛合金摩擦学性能的研究，还应进一步优化钛合金表面的形貌，深入研究钛合金表面织构的制备工艺及其组织和性能间的关系，完善钛合金在摩擦学领域的应用，为钛合金的开发提供数据支持。
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