3D打印Ti-6Al-4V电极电火花沉积二氧化钛涂层提升SUS304不锈钢耐腐蚀性能研究

《Materials Today Communications》：Surface Characterization of Titanium Oxide Coating on SUS304 Stainless Steel by Electrical Discharge Coating

本研究针对传统TiO2涂层技术工艺复杂、环境污染大等问题，开发了基于3D打印Ti-6Al-4V电极和去离子水介质的电火花沉积(EDC)新方法。研究人员系统探究了放电电流(6-11A)对涂层形貌、厚度及耐腐蚀性的影响，发现8A电流条件下可获得均匀致密的TiO2涂层(~41μm)，其腐蚀电流密度低至4.08×10-10A/cm2。该技术为不锈钢表面改性提供了绿色高效的解决方案。

　　

在工业应用中，不锈钢材料虽然具有优良的机械性能，但其在恶劣环境下的耐腐蚀性能仍需进一步提升。传统表面改性技术如热喷涂、磁控溅射等存在工艺复杂、能耗高、可能产生环境污染等问题。特别是二氧化钛(TiO₂)涂层作为一种具有优异耐腐蚀性和化学稳定性的陶瓷材料，其在不锈钢基体上的高效沉积一直是个技术难题。

电火花沉积(EDC)技术作为一种新兴的表面工程方法，通过控制电火花放电将电极材料沉积到工件表面。与传统技术相比，EDC具有设备简单、能耗低、无需后处理等优势。然而，如何实现TiO_{2涂层的高质量沉积，特别是结合新型电极材料和环保介质，仍是研究人员关注的焦点。}

近期发表在《Materials Today Communications》的一项研究为解决这一难题提供了创新方案。该研究团队开发了一种基于3D打印Ti-6Al-4V电极和去离子水(DI water)介质的电火花沉积技术，成功在SUS304不锈钢表面制备了高质量的TiO₂涂层。

研究人员采用选择性激光熔化(SLM)技术制备Ti-6Al-4V电极，利用改装的电火花加工设备，以去离子水为介质，系统研究了不同放电电流参数(6-11A)对涂层性能的影响。通过扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析(EDS)、X射线光电子能谱(XPS)等技术表征涂层形貌和成分，并通过电化学测试评估涂层的耐腐蚀性能。

3.1. 最佳EDC参数确定

研究表明，电流参数显著影响涂层质量。低于6A的电流无法实现有效沉积，而过高电流(10-11A)会导致涂层缺陷。7-9A电流范围内可获得稳定均匀的涂层，其中8A为最优参数。

3.2. 3D打印电极表面形貌

SEM分析显示，3D打印Ti-6Al-4V电极表面呈现典型的增材制造特征，包括部分熔融颗粒和表面孔隙。这种微观结构有利于放电过程中的火花稳定性和材料转移效率。

3.3. TiO₂涂层表面形貌

在不同电流条件下，涂层形貌呈现显著差异。6-8A电流下获得的涂层均匀致密，而9A以上电流则出现熔融液滴和孔隙等缺陷。8A条件下涂层表现出最佳的完整性和均匀性。

3.4. 元素组成分析

EDS分析表明，6-8A电流下钛元素含量最高(47.08-49.44wt.%)，氧元素含量达24.61-25.50wt.%，证实了TiO₂的成功形成。随着电流继续增大，涂层中钛含量下降，基体元素重新暴露。

3.5. 涂层厚度分析

截面分析显示，涂层厚度随电流增加而增大，9A时达到最大值68.64μm。然而，8A条件下获得的涂层(40.92μm)具有更好的界面结合力和结构致密性。

3.6. XPS分析

XPS结果证实了TiO₂的形成，Ti 2p_3/2峰位于458.5eV，对应Ti⁴⁺氧化态。同时检测到Fe₂O₃和Cr₂O₃的存在，表明基体元素也参与了界面反应。

3.7. 腐蚀行为研究

电化学测试表明，8A条件下制备的涂层具有最优异的耐腐蚀性能，腐蚀电流密度低至4.08×10^-10A/cm²，较未涂层样品提高了三个数量级。电化学阻抗谱(EIS)进一步证实了涂层良好的屏障保护作用。

该研究成功建立了基于3D打印技术和环保介质的电火花沉积新工艺，为不锈钢表面改性提供了创新解决方案。研究不仅阐明了工艺参数与涂层性能的关联规律，还为工业化应用奠定了理论基础。这种绿色高效的表面工程技术在航空航天、医疗器械、海洋工程等领域具有广阔的应用前景。

研究的创新性体现在多个方面：首次将3D打印Ti-6Al-4V电极应用于EDC工艺，利用其独特的内部结构提高了放电稳定性；采用去离子水作为介质，避免了传统油基介质的环境问题；系统阐明了电流参数对TiO₂涂层形成机制的影响规律。这些成果为表面工程领域的技术创新提供了重要参考。