钛及钛合金具有密度低、耐腐蚀性强、强度高、生物相容性好等优良性能，被人们广泛用于汽车、船舶、生物等制造领域。但作为零部件应用时，由于化学亲和性强，经常发生表面摩擦学粘着失效。对钛及钛合金材料进行表面改性，可有效提高其表面力学性能。但由于钛及钛合金硬度较低，常规的耐磨减摩硬质涂层并不适用，且由于软硬承载协调的问题，容易导致表面改性层的开裂剥落。利用双辉等离子表面合金化技术在钛及钛合金表面形成的复合梯度改性层，可实现合金元素与基体的冶金结合，即可满足表面摩擦学行为改性，又可满足高应力承载服役条件下的表面-基体协调变形要求。与均质涂层单一的力学性能不同，梯度改性层的力学性能随深度的变化而变化。这给定量研究其力学性能带来很大的困难，所以对梯度改性层的力学性能研究大多是局限在宏观角度下进行定性分析。有限元作为一种常见的计算分析方法，可将复杂的模型简化为一个个单元，从而实现静动态力学测试的模拟。通过有限元模拟定量研究梯度改性层的接触力学行为，实现梯度改性层的定量化设计，进而实现对工艺参数的反馈调节，本文研究内容对薄膜材料的开发和实际应用具有重大意义。
　　本文利用双辉等离子表面合金化技术在钛及钛合金表面制备了Mo梯度改性层。分析了多尺度下梯度改性层的失效行为，并定量研究了Mo梯度改性层的力学性能。主要研究内容及研究结果如下：
　　（1）对纯钛表面Mo梯度改性层进行微/纳米压痕测试。在压痕深度较小时，两者可实现良好的衔接，表明了微米压入结果的准确性。对Mo梯度改性层进行小能量多冲测试，随着冲击载荷的增加，改性层表面先出现环向裂纹，后出现径向裂纹，直至改性层剥落。结合纳米压痕实验与有限元反演分析，提出一种求解梯度改性层塑性性能参数的线性简化模型。
　　（2）结合有限元模型定量分析微米压痕与多冲测试失效的过程。结果表明，多次冲击实验失效的模式为内聚失效。加载过程中，每个子层之间并没有明显的应力阶跃，表明Mo扩散层可以有效地协调Mo沉积层与Ti基体的变形。
　　（3）对TC4表面Mo梯度改性层进行纳米压入测试，通过线性简化模型，求得改性层的弹塑性性能参数。对TC4表面Mo梯度改性层进行多冲测试，结果说明，多冲测试失效的主要原因是疲劳。对多冲测试进行有限元模拟，定量确定了Mo改性TC4在裂纹产生和进一步扩展时的应力/应变分布。根据以上结果与分析，总结出一套系统的定量研究改性层静动态力学性能的方法。
　　（4）利用微纳米力学测试技术，进一步对纯Ti表面Mo梯度改性层在微观角度下的动态力学性能进行了研究。结果表明，由于Mo沉积层的硬度高，当压痕深度超过Mo沉积层但小于Mo扩散层时，改性层并不发生疲劳失效，表明Mo扩散层在承载过程中起到了一定的协调变形作用。