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摘要近年来，患有关节疾病的患者数量不断增加。人工关节置换术作为目前最有效的治疗方法之一，可以重建关节功能、恢复日常活动能力。然而，植入人体后，人工关节的磨损是不可避免的。随着时间的推移，摩擦界面产生的磨蚀性碎片会诱发生物免疫反应，造成骨质溶解，导致人工关节失效。因此，改善人工关节的耐磨性受到特别关注。鉴于摩擦磨损发生在表面，人工关节的表面强化就成为提高其耐磨性的重要途径。本文利用超声表面滚压技术强化TB8钛合金，在其表层制备出稳定梯度纳米结构，并分析其表面性能。在此基础上，深入探究TB8钛合金梯度纳米结构表层的摩擦磨损性能，揭示不同工况下的磨损机理，以及仿生环境生物介质对TB8钛合金磨损表面显微组织及耐磨性能的影响。<br>　　超声表面滚压处理在钛合金表层诱发剧烈的塑性变形，变形层厚约90μm。表层的晶粒被细化并呈梯度分布。表层硬度显著提高，表面的硬度值最大。随着深度的增加，硬度逐渐减小到与基体一致。当超声表面滚压所用静压力为200N、400N和600N时，表面的硬度值分别为420HV、475HV和522HV，较未处理的原始状态（317.93HV）分别提高了约32.1%，49.1%和64.19%。同时，表面硬化层的厚度也随着静压力的增加而增大。由Hall-Petch关系可知，随着静压力的增加，表层梯度纳米结构将呈现出更小的晶粒尺寸和更深的厚度。抗拉强度的变化趋势与硬度一致，即静压力越大，表层的抗拉强度越高。相反，静压力越大，表面粗糙度越低。这也意味着600N静压力能获得综合性能最好的TB8表层结构。<br>　　对超声表面滚压制备的TB8钛合金进行摩擦学行为研究，在四种润滑条件下进行摩擦磨损实验。结果表明，干摩擦条件下摩擦系数和磨损量最高，其次是0.9%NaCl条件、15%透明质酸条件，最后是25%胎牛血清条件。随着超声表面滚压静压力的增加，平均摩擦系数和磨损量均呈下降趋势。同时，仿生环境生物介质引起的磨损量减少随着静压力的增加而越来越明显。通过膜厚比对润滑状态详细分类得出，0.9%NaCl条件下的摩擦属于部分流体润滑状态，而15%透明质酸条件和25%胎牛血清条件下的摩擦属于全膜弹性流动润滑。<br>　　基于润滑状态的分析结果，选取15%透明质酸溶液和25%胎牛血清溶液作为摩擦磨损试验条件，进一步分析超声表面滚压强化TB8钛合金的摩擦学行为。通过分析TB8钛合金表层梯度纳米结构的生物组织学特性，探究全膜弹性流动润滑状态下的磨损机理。对磨损表面形貌、化学成分等进行表征，继而讨论超声表面滚压强化对磨擦界面材料转移、三层膜结构和磨损机制的影响。结果表明，在15%透明质酸条件下，最好的摩擦磨损性能出现在600N超声表面滚压试样中。在这些试样的磨损表面上发现了由TiO2、TiC和TiCxOy组成的最光滑、最致密的氧化层，可以保护TB8基体免受进一步氧化及磨损。同样，在25%胎牛血清条件下，最好的摩擦磨损性能也出现在600N超声表面滚压试样中，且其耐磨性要优于15%透明质酸条件。全膜弹流润滑状态主要取决于仿生溶液中的蛋白质。EDS分析表明，磨损表面有氧化反应的特征，钛与来自大分子蛋白质的C元素结合，形成更多的类似沉积物质的Ti(OC3H7)4，可以有效避免对磨表面的直接接触。胎牛血清中的大分子蛋白质、多肽、脂肪等比透明质酸要多，所以25%胎牛血清条件下可以获得最佳摩擦磨损性能。<br>　　最后，分析了超声表面滚压强化TB8钛合金表层的机械性能与比磨损率及摩擦系数之间的相关性，并利用相关性统计分析法建立基于神经网络的耐磨性预测模型。结果表明，无论是单独考虑还是多因素综合考虑，梯度纳米结构表层的机械性能与比磨损率及摩擦系数之间都具有明显的相关性，也再次证明超声表面滚压强化可以有效提高TB8钛合金的摩擦磨损性能。