鈦及鈦合金材料的噴砂工藝是一種重要的表面處理技術(shù)，其目的是去除表面的氧化層、污染物，提高基材的表面粗糙度，增強(qiáng)涂層的附著力，或賦予表面特定的物理化學(xué)性能，改善材料的機(jī)械性能等方面。
噴砂處理是利用壓縮空氣或水流將磨料高速噴射到鈦合金表面，以去除表面的氧化層、污垢和雜質(zhì)，從而提高表面粗糙度和附著力。這種方法常用于鈦鑄件和鍛件的表面處理，以確保后續(xù)加工或涂層的附著效果。
噴砂處理不僅用于清潔和粗糙化表面，還可以通過調(diào)節(jié)參數(shù)來改善材料的微觀結(jié)構(gòu)。例如，通過直徑0.5~2毫米的噴砂處理，可以將鈦合金的晶粒尺寸降至約44納米，從而增強(qiáng)其疲勞耐受性和抗應(yīng)力開裂性能。此外，濕噴丸技術(shù)結(jié)合超聲波振動，可以在降低表面粗糙度的同時延長彈丸壽命并提高局部屈服強(qiáng)度。
噴砂處理在醫(yī)療植入物、航空航天等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。例如，在種植體表面進(jìn)行噴砂處理可以增加表面積，促進(jìn)細(xì)胞黏附和增殖，提高骨結(jié)合能力。在復(fù)合材料與鈦合金的一體化成型中，噴砂處理能顯著提高剪切強(qiáng)度，有利于復(fù)合材料與鈦合金的連接。
噴砂材料
噴砂過程中使用的磨料通常為白剛玉或石英砂，這些材料具有較高的硬度和良好的清潔效果。噴砂壓力一般控制在0.45MPa以下，以避免對鈦表面造成過度損傷。噴嘴距離鑄件表面的距離應(yīng)保持在20mm至400mm之間，噴射角度控制在20°至70°之間。
白剛玉白剛玉磨料具有高硬度和良好的耐磨性，這使得它在噴砂過程中能夠提供強(qiáng)大的切削力和磨削效果，尤其適合于硬質(zhì)材料如鈦及鈦合金的表面處理。白剛玉噴砂可以快速清理大面積工件表面，提高工作效率，并通過粗化處理增強(qiáng)涂層的附著力，從而提高工件的質(zhì)量。此外，白剛玉噴砂能夠顯著增加工件表面的粗糙度，使涂層更好地附著在表面上，延長涂層的使用壽命。
石英砂石英砂在噴砂工藝中通常用于較為溫和的表面處理，其硬度和耐磨性相對較低，因此適用于一些對表面要求不高的場合。石英砂的顆粒較為柔軟，沖擊力較小，因此在噴砂過程中可能無法像白剛玉那樣提供強(qiáng)烈的切削力和磨削效果。
SiO2（二氧化硅）SiO2也是一種常見的噴砂材料，其硬度和耐磨性介于白剛玉和石英砂之間。SiO2噴砂的效果可能介于白剛玉和石英砂之間，既能夠提供一定的表面粗糙度以增強(qiáng)涂層附著力，又不會像白剛玉那樣對工件表面造成過大的損傷。白剛玉因其高硬度和強(qiáng)磨削效果，在鈦及鈦合金材料的噴砂工藝中通常被優(yōu)先選擇，以達(dá)到最佳的表面處理效果。
噴砂工藝
1.干噴砂工藝：
? 干噴砂是最常見的噴砂工藝，使用壓縮空氣作為動力，將磨料（如石英砂、金剛砂、鐵砂等）噴射到工件表面，以達(dá)到清理、去毛刺、增加表面粗糙度等目的。
? 根據(jù)零件的不同，選擇不同粒度的磨料和壓縮空氣壓力。例如，厚3mm以上的較大鋼鐵零件可能使用2.5-.5mm的石英砂和0.3~0.5MPa的壓縮空氣壓力。
2.濕噴砂工藝：
? 濕噴砂與干噴砂相似，但在磨料中加入水，形成砂漿，以減少粉塵污染并降低工件表面溫度。濕噴砂常用于對環(huán)境清潔度要求較高的場合。
3.噴丸工藝：
? 噴丸與噴砂類似，但使用球形的磨料（如鋼丸或玻璃丸）代替砂狀磨料。噴丸能夠產(chǎn)生壓應(yīng)力，提高零件的疲勞強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕能力，常用于精密零件的表面處理。
4.虹吸噴砂：
? 虹吸噴砂使用虹吸管將磨料吸入氣流中，適用于復(fù)雜形狀的小型零件的表面處理。
5.壓力噴砂：
? 壓力噴砂使用加壓容器高速推出研磨材料，適用于大面積的表面處理，效率高，但對設(shè)備的要求也較高。
6.濕式噴砂：
? 濕式噴砂將水與研磨材料相結(jié)合，減少灰塵并清潔表面，適用于對環(huán)境清潔度有要求的場合。
7.噴珠：
? 噴珠利用玻璃珠輕柔地清潔和拋光表面，適用于精細(xì)表面的處理，如珠寶和精密儀器。
8.干冰噴射：
? 使用干冰顆粒進(jìn)行清潔，不會留下任何殘留物，適用于需要無殘留清潔的應(yīng)用，如食品加工設(shè)備。噴砂工藝的選擇取決于待處理材料的類型、表面狀態(tài)、處理目的以及對環(huán)境的要求。每種噴砂工藝都有其獨特的應(yīng)用場景和優(yōu)勢，正確選擇噴砂工藝可以大大提高表面處理的效率和質(zhì)量。
延伸閱讀
不同噴砂材料對表面處理效果的影響
1.白剛玉：
? 白剛玉磨料具有高硬度和良好的耐磨性，這使得它在噴砂過程中能夠提供強(qiáng)大的切削力和磨削效果，尤其適合于硬質(zhì)材料如鈦及鈦合金的表面處理。
? 白剛玉噴砂可以快速清理大面積工件表面，提高工作效率，并通過粗化處理增強(qiáng)涂層的附著力，從而提高工件的質(zhì)量。
? 此外，白剛玉噴砂能夠顯著增加工件表面的粗糙度，使涂層更好地附著在表面上，延長涂層的使用壽命。
2.石英砂：
? 石英砂在噴砂工藝中通常用于較為溫和的表面處理，其硬度和耐磨性相對較低，因此適用于一些對表面要求不高的場合。
? 石英砂的顆粒較為柔軟，沖擊力較小，因此在噴砂過程中可能無法像白剛玉那樣提供強(qiáng)烈的切削力和磨削效果。
3.SiO2（二氧化硅）：
? SiO2也是一種常見的噴砂材料，其硬度和耐磨性介于白剛玉和石英砂之間。
? SiO2噴砂的效果可能介于白剛玉和石英砂之間，既能夠提供一定的表面粗糙度以增強(qiáng)涂層附著力，又不會像白剛玉那樣對工件表面造成過大的損傷。
高頻振動噴砂技術(shù)在鈦合金表面處理中的具體應(yīng)用
高頻振動噴砂技術(shù)通過高頻振動作用于鈦合金表面，能夠顯著降低其表面粗糙度，增強(qiáng)表面硬度和抗腐蝕性能。這種技術(shù)近年來逐漸得到發(fā)展，尤其在醫(yī)療器械和精密加工領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。
此外，表面處理方式如噴砂可以降低材料表面微裂紋的產(chǎn)生，從而提高抗扭轉(zhuǎn)疲勞壽命。這表明高頻振動噴砂技術(shù)不僅改善了鈦合金的表面質(zhì)量，還提升了其機(jī)械性能。
濕噴丸技術(shù)結(jié)合超聲波振動提高鈦合金局部屈服強(qiáng)度的機(jī)理
1.表面硬化層的形成：濕噴丸技術(shù)通過高壓縮氣流將混合液體快速噴射到材料表面，形成均勻的液膜，從而實現(xiàn)強(qiáng)化效果。這種液膜在鈦合金表面形成一層硬化層，顯著提高了表面硬度和強(qiáng)度。超聲波振動進(jìn)一步增強(qiáng)了這一效果，通過高頻振動沖擊載荷作用于金屬材料表面，使硬化層更加均勻和致密。
2.晶粒細(xì)化：超聲波振動在鈦合金表面處理過程中起到了細(xì)化晶粒的作用。研究表明，超聲振動輔助（UVA）顯著改善了沉積態(tài)部件的晶粒結(jié)構(gòu)，使其更加細(xì)小均勻。這種晶粒細(xì)化不僅提高了材料的力學(xué)性能，還增強(qiáng)了其局部屈服強(qiáng)度。
3.梯度納米顆粒的形成：高溫場和超聲振動動能的疊加在局部區(qū)域產(chǎn)生退火效應(yīng)，從而形成更穩(wěn)定的梯度納米顆粒。這些梯度納米顆粒能夠進(jìn)一步增強(qiáng)材料的局部屈服強(qiáng)度，因為納米化可以顯著提高材料的力學(xué)性能。
4.微觀結(jié)構(gòu)的均勻化：濕噴丸和超聲波振動共同作用下，鈦合金表面的微觀結(jié)構(gòu)變得更加均勻和致密。這種均勻化的微觀結(jié)構(gòu)有助于提高材料的整體力學(xué)性能，包括局部屈服強(qiáng)度。
在醫(yī)療植入物領(lǐng)域，噴砂處理對提高骨結(jié)合能力的作用機(jī)制
1.增加表面粗糙度和表面積：噴砂處理通過利用壓縮空氣形成的高速噴射束，將不同粒徑的噴料高速噴射到種植體表面，從而改變其表面的粗糙度和增加其表面積。這種表面粗糙化有助于提高細(xì)胞的黏附和增殖能力，進(jìn)而增強(qiáng)骨結(jié)合能力。
2.改善表面活性：噴砂處理不僅增加了表面粗糙度，還通過形成殘余壓應(yīng)力層來改善材料表面的活性。這種表面活性的改善有助于促進(jìn)成骨細(xì)胞的附著和誘導(dǎo)骨整合作用。
3.促進(jìn)新生骨形成：研究表明，噴砂處理后的種植體表面能夠被新形成的骨小梁包圍，并且在一定時間內(nèi)顯示出大量新生骨的形成。這表明噴砂處理能夠有效地促進(jìn)骨組織與植入物之間的整合。
4.使用生物相容性介質(zhì)：一些研究采用生物相容性和生物可吸收介質(zhì)進(jìn)行噴砂處理，以確保長期的安全性。例如，使用羥基磷灰石（HA）顆粒進(jìn)行噴砂處理后的種植體顯示出較高的骨結(jié)合能力，這進(jìn)一步證明了噴砂處理在提高骨結(jié)合方面的有效性。
復(fù)合材料與鈦合金一體化成型中，噴砂處理提高剪切強(qiáng)度
在復(fù)合材料與鈦合金一體化成型中，噴砂處理顯著提高剪切強(qiáng)度的原因可以從以下幾個方面進(jìn)行解釋：
1.表面粗糙度的增加：噴砂處理通過在鈦合金表面產(chǎn)生微小的空穴和凹凸不平的表面結(jié)構(gòu)，增加了鈦合金表面的粗糙度。這種粗糙度的增加有利于樹脂在鈦合金表面形成更多的接觸點，從而提高了粘接強(qiáng)度。
2.去除氧化層和雜質(zhì)：噴砂處理可以有效去除鈦合金表面的氧化層和一些雜質(zhì)，這些物質(zhì)通常會阻礙樹脂與金屬表面的粘接。通過去除這些不利因素，噴砂處理有助于提高復(fù)合材料與鈦合金之間的粘接效果。
3.機(jī)械互鎖效應(yīng)：噴砂處理形成的微觀結(jié)構(gòu)能夠為樹脂提供機(jī)械互鎖效應(yīng)，即樹脂分子能夠嵌入到鈦合金表面的空穴中，從而在固化后形成更加牢固的連接。這種機(jī)械互鎖效應(yīng)顯著提高了復(fù)合材料/鈦合金試樣的剪切強(qiáng)度。
4.噴砂時間的影響：研究表明，隨著噴砂時間的增加，試樣的剪切強(qiáng)度先增大后減小。當(dāng)噴砂時間由15秒增加到60秒時，剪切強(qiáng)度從29.7 MPa增加到33.9 MPa，但當(dāng)噴砂時間進(jìn)一步延長至180秒時，剪切強(qiáng)度又下降至32.4 MPa。這表明噴砂時間有一個最優(yōu)值，在此范圍內(nèi)噴砂處理能顯著提高鈦合金表面的粗糙度和粘接性能。
5.微觀形貌和元素分布的變化：噴砂處理后，鈦合金表面的微觀形貌和元素分布發(fā)生了變化。例如，噴砂處理后鈦合金表面的Si和O元素含量增加，這些元素的分布與表面空穴深度相關(guān)，說明噴砂過程中產(chǎn)生的碎屑卡在空穴中，可能對后續(xù)粘接造成不利影響。然而，適當(dāng)?shù)膰娚疤幚砣匀荒軌蝻@著提高剪切強(qiáng)度。