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本发明公开了一种金属钛表面高硬度氧化膜制备方法，包括如下步骤：步骤一、将钛工件进行搅拌摩擦加工打磨光亮，清洗后进行电解抛光，抛光后进行清洗、干燥表面；搅拌摩擦加工的搅拌头转速100～200rpm，加工速度20～40mm/min，轴肩下压量0.3～0.5mm；电解抛光液使用甲醇和高氯酸的混合溶液；电解抛光参数为抛光温度为‑20～‑30℃,抛光电压为10～30V，抛光时间80～120s；步骤二、热氧化处理：将抛光后的工件放入热处理炉进行一定时间的热氧化处理，热处理温度450～600℃，热处理时间2～3h，然后冷却至室温。本发明制备的样品提高了氧化膜厚度，提高了钛材表面硬度。