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钛合金是自20世纪50年代左右开始发展起来的一种重要的结构金属,由于其较好的耐腐蚀性和强度较高等优点被应用至航空航天、汽车工业和医疗等各领域。随着先进制造技术的发展,人们对人工关节的耐磨性和使用寿命提出了更高的要求。为进一步满足新型人工关节的设计要求,本文将激光织构化技术应用于人工关节钛合金材料表面。使用皮秒激光系统在Ti-6Al-4V合金表面制备出一系列不同几何特征的织构,其中包括不同平面几何形状(圆形、方形、三角形等)的织构;水平方向上收敛程度不同的收敛楔(长宽比L/W=0.25-4),垂直方向上不同的微坡度(长深比L/D=5-30)的三角形梯度织构。使用销-盘单向旋转摩擦磨损试验机,在模拟人体环境的条件下进行摩擦磨损实验,通过对比各试样的摩擦系数、磨损率和磨痕,以探究得到摩擦学特性表现最好的激光织构表面几何特征取值范围。同时,基于N-S方程建立了织构表面在流体润滑状态下的流场数值模型,通过商业CFD分析软件Fluent对模型进行计算求解,得到了计算域内的压力分布,并通过积分的办法求解了织构表面的理论无量纲承载力,所得到的计算结果与实验结果进行了对比,进一步验证所得到的最佳的织构表面几何特征取值范围。另外,为验证其实际应用前景,本文对其植入生物体内的生物相容性进行了探究。通过MTT法对织构表面进行生物细胞毒性评价,通过细胞形态学表征对织构表面进行生物细胞黏附行为评价,从而进一步确定耐磨性、使用寿命和生物相容性最佳的织构表面几何特征参数取值范围。实验和模拟的结果表明,织构的面密度对表面的摩擦学特性影响明显,且相对较佳的取值范围为19%左右。在水平方向上和垂直方向上通过设置微楔形状梯度可以极大的改善和提高试样的摩擦学特性。特别是在水平方向上设置收敛程度较为适中的收敛楔(L/W=1)时,沿着织构的润滑方向上更容易产生较为明显的楔形效应,试样前端压力集中明显,其承载能力得到较大提高;在垂直方向上设置跨距较适中的微梯度(L/D=10)时,沿着织构的垂直方向上的微梯度使其表面的流体动压效应得到明显的强化,从而其承载能力得到较大的提高。当织构几何特征参数在以上取值范围内时,试样的摩擦系数得到了明显的降低,接触表面间磨损得到了明显的减轻。同时,存在促进细胞活性的最佳织构几何特征取值范围。对织构表面细胞黏附行为的表征结果显示,织构试样表面微粗糙度的存在有利于细胞优先沿着织构凹坑边缘和内部粗糙度“峰”区域黏附,且呈团聚状分布,从而对于细胞的活性具有明显的促进作用,且相对于基底表面,细胞并不会优先黏附过深的织构凹坑区域。综上所述,激光表面织构化可以有效提高钛合金表面的摩擦学特性,且在一定范围内通过设置水平方向上的收敛楔和垂直方向上的微梯度可以进一步提升其摩擦学特性并优化其生物相容性。