电火花沉积法制备TiAl-γ涂层的响应面优化及其性能研究：厚度、硬度与耐蚀性的协同提升

本研究针对Ti6Al4V合金表面改性需求，采用响应面法(RSM)优化电火花沉积(ESD)工艺参数，系统探究了峰值电压、火花频率和电极转速对TiAl-γ涂层厚度的影响。通过建立二阶多项式模型(R2=0.984)，获得18μm最大涂层厚度，使表面显微硬度提升至600HV（达基体1.5倍），并在3.5wt.%NaCl溶液中展现出优异的耐局部腐蚀性能，为航空航天关键部件表面强化提供了新方案。

　　

钛合金因其优异的强度重量比和耐腐蚀性，在航空航天和生物医学领域扮演着关键角色。然而，明星材料Ti6Al4V却存在耐磨性不足的"阿喀琉斯之踵"——其表面在滑动接触时易磨损，且在含氯环境中可能因钒氧化物溶解引发局部腐蚀。更棘手的是，传统表面改性技术如物理气相沉积(PVD)往往面临基体变形和相变控制的挑战。为此，伊朗理工大学的Seyedeh Marzieh Hosseini团队另辟蹊径，采用电火花沉积(ESD)这种微焊接技术，通过瞬时高能脉冲实现TiAl-γ涂层制备，既避免了基体热影响，又保留了金属间化合物的优异性能。

研究人员运用实验设计(DOE)结合响应面方法(RSM)，在Minitab软件中构建Box-Behnken实验矩阵，重点考察电压(30-60V)、频率(500-5000Hz)和转速(800-1100rpm)三因素对涂层特性的影响。通过扫描电镜(SEM)结合能谱(EDS)解析微观结构，X射线衍射(XRD)鉴定物相组成，维氏硬度仪评估力学性能，并采用电化学工作站完成开路电位(OCP)、电化学阻抗谱(EIS)和动电位极化(PDP)等全套腐蚀测试。

在涂层厚度优化方面，研究建立了精准的预测模型，揭示火花频率是影响厚度的首要因素。当参数组合为60V电压、500Hz频率和950rpm转速时，获得18μm最大涂层厚度，验证实验显示实测厚度18.5μm与预测值误差仅3%。值得注意的是，厚度与脉冲能量呈正相关，高电压配合低频率能显著提升能量输入，使熔融材料体积增加。

物相分析显示涂层主要由Ti₃Al、TiAl和少量TiN、α-Al₂O₃组成。背散射电子图像揭示从表面到基体的成分梯度变化：表面富铝(40wt.%)区域逐渐过渡到富钛基体，这种"成分缓冲层"得益于ESD过程特有的冶金结合特性。显微硬度剖面呈现三个特征区：表面区因细晶强化和硬质相(TiN硬度达2000HV)弥散分布，硬度飙升至1400HV；过渡区(15-40μm)硬度梯度下降；而热影响区仍保持高于基体(360HV)的硬度值。

腐蚀测试结果令人振奋：ESD涂层将腐蚀电位从基体的-0.182V提升至-0.08V，极化电阻达788.6Ω，是基体的2.2倍。Nyquist图谱的双容抗弧特征表明涂层形成双层保护机制：外层TiO₂/Al₂O₃混合氧化膜(47.9Ω)和内层细晶强化区(788.6Ω)。特别值得注意的是，涂层成功将基体的局部腐蚀转变为均匀腐蚀，这在SEM形貌中得以印证——基体表面布满腐蚀坑，而涂层仅显示均匀氧化痕迹。

该研究突破性体现在三方面：其一，建立的RSM模型为ESD工艺优化提供量化工具；其二，创制的TiAl-γ涂层实现硬度-耐蚀性协同提升；其三，揭示了脉冲能量与涂层特性的量效关系。这些发现不仅为钛合金部件延寿提供新思路，更拓展了ESD技术在精密部件改性中的应用前景。特别是涂层在3.5wt.%NaCl溶液中的卓越表现，使其在海洋工程领域展现出巨大应用潜力。未来研究可进一步探索涂层在循环载荷下的疲劳-腐蚀耦合行为，以及多道次沉积对缺陷控制的优化空间。