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度的機理
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度。超聲波振動進(jìn)一步增強了這一效果，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，還增強了其局部屈服強度。
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)一步增強材料的局部屈服強度，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@著提高剪切強度。
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