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采用原子力显微镜（AFM）、扫描电镜（SEM）和X射线衍射仪（XRD）研究工业纯钛经600、700和800℃热氧化后硬化层的形貌、粗糙度和相结构，分析热氧化过程中氧原子的扩散机制、渗氧层的形成和氧化膜的分层现象。结果表明：随着氧化时间的延长和温度的升高，硬化层表面粗糙度增大，氧化物颗粒迅速长大，主要物相为TiO 2、Ti2O、Ti3O、Ti6O；钛的氧化过程是氧原子通过气相/氧化膜及氧化膜/金属基体的渗透过程；氧化膜随着氧化反应的加剧和自身的分解，其结构和性质发生变化而导致分层现象。