近日，南京理工大学纳米异构材料中心陈翔教授团队针对工业应用钛合金耐磨性差难题，提出层片异构表面改性新思路，结合激光表面织构化与二维润滑材料涂覆技术，在钛合金表面成功制备出微织构与二维润滑材料相复合的有序异构，实现了摩擦学性能的显著提升，阐明了表面层片异构构筑材料的减摩耐磨机理，为发展新型减摩耐磨金属提供新设计方案。相关工作以题为“Tailoring Tribological Characteristics in Titanium Alloys by Laser Surface Texturing and Two-Dimensional (2D) Ti3C2Tx MXene Nanocoating”（https://doi.org/10.1002/adfm.202401231）的研究论文发表在材料领域知名期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）上。纳米异构中心2021级博士生张棋程为论文第一作者，纳米异构中心陈翔教授、林研副教授和四川大学林紫锋教授为共同通讯作者。
钛及钛合金具有低密度、高比强度、优异的耐腐蚀性等优势，广泛应用于航空航天、汽车、生物医学等关键领域。然而，由于表面硬度较低和加工硬化能力不足，钛及钛合金极易遭受磨损失效，严重降低了其服役寿命，是钛合金在高端制造领域实现轻量化发展所面临的主要瓶颈之一。利用激光加工构筑表面微织构或涂覆固体二维润滑材料是提升材料摩擦学性能的基本途径。但单一的表面微织构或二维润滑材料在复杂磨损工况下仍存在减摩、耐磨效果不佳等问题，其服役可靠性仍然面临挑战。针对上述问题，本研究另辟蹊径，耦合上述两种表面改性技术，利用表面微织构和二维润滑材料的协同效应实现钛及钛合金摩擦磨损性能的大幅提升。
纳米异构材料中心研究人员利用飞秒激光加工技术在纯钛表面成功制备出了沟槽微织构，随后涂覆二维MXene（Ti3C2Tx）纳米涂层（图1），系统研究了摩擦磨损性能及摩擦次表层显微结构演化行为。该复合表面改性技术既可保持表面沟槽微织构“捕获”磨屑的优势，又能发挥MXene纳米涂层的自润滑特性，从而显著降低摩擦系数和磨损率(图2-4)。摩擦次表层显微结构分析显示，沟槽微织构可“捕获”MXene，并使其在后续摩擦过程中通过摩擦应力的“搅拌”效应在接触界面持续提供润滑作用。此外，MXene纳米涂层在摩擦应力作用下发生持续分解和重组，形成稳定摩擦膜，可有效抑制基体材料的氧化和塑性变形，从而大幅改善摩擦学性能。本工作为钛合金在苛刻磨损工况下的服役性能提升开辟了新途径。
图1. 四类样品的表面形貌：(a) Ti; (b) Ti-MXene; (c) LST Ti; (d) LST Ti-MXene。图(a)和(b)中的插图分别代表纯Ti的EBSD晶粒取向图以及MXene涂层的XPS表征结果。（e-g） MXene纳米涂层的微观结构及元素分布纳米尺度表征。
图2. 四类样品的摩擦磨损性能研究：（a） 摩擦系数随滑动周期的变化曲线；（b） 平均摩擦系数；（c） 磨损率。
图3. LST Ti-MXene样品磨痕次表层微观结构演化行为分析：（a）TEM分析薄片试样的宏观形貌图；（b）磨痕次表层整体微观结构分析；（c-d）远离沟槽区域的表层微观结构分析；（e-f）最表层稳定摩擦膜的微观结构表征。
图4. 摩擦早期LST Ti-MXene样品的磨痕次表层微观结构演化分析：（a）10个滑动周期后的磨痕次表层整体显微结构；（b-d）次表层不同局部区域的显微结构；（e）100个滑动周期后的磨痕次表层整体显微结构；（f-j）不同局部区域的显微结构分析，揭示PVDF层的变形及Ti3C2Tx层的解离。
在自然资源日益匮乏和材料素化思想的大环境下，通过探索新的减摩耐磨机制和设计新型微结构形式来获得优异摩擦学性能材料成为学者的重要指导思想和工作任务。通过耦合表面形貌微织构与素化润滑相，将表面异构材料引入到材料摩擦学研究中，形成以“异构材料设计-亚表层微观结构-摩擦磨损性能”为基础的特色研究，有助于进一步深化建立“异构材料摩擦学”这一全新特色研究方向，促进摩擦学和材料学的交叉融合，丰富材料摩擦学理论。
上述工作得到了国家自然科学基金重大研究计划重点项目、面上项目及中央高校基础研究基金项目资助。