鈦合金的表面處理技術(shù)

鈦在高溫下易于與空氣中的O、H、N等元素及包埋料中的Si、Al、Mg等元素發(fā)生反應(yīng)，在鑄件表面形成表面污染層，使其優(yōu)良的理化性能變差，硬度增加、塑性、彈性降低，脆性增加。

鈦的密度小，故鈦液流動時慣性小，熔鈦流動性差致使鑄流率低。鑄造溫度與鑄型溫差(300℃)較大，冷卻快，鑄造在保護性氣氛中進行，鈦鑄件表面和內(nèi)部難免有氣孔等缺陷出現(xiàn)，對鑄件的質(zhì)量影響很大。

因此，鈦鑄件的表面處理與其它牙用合金相比顯得更為重要，由于鈦的獨特的理化性能，如導(dǎo)熱系數(shù)小、表面硬度、及彈性模量低，粘性大，電導(dǎo)率低、易氧化等，這對鈦的表面處理帶來了很大的難度，采用常規(guī)的表面處理方法很難達到理想的效果。必須采用特殊的加工方法和操作手段。

鑄件的后期表面處理不僅是為了得到平滑光亮的表面，減少食物及菌斑等的積聚和粘附，維持患者的正常的口腔微生態(tài)的平衡，同時也增加了義齒的美感；更重要的是通過這些表面處理和改性過程，改善鑄件的表面性狀和適合性，提高義齒的耐磨、耐蝕和抗應(yīng)力疲勞等理化特性。

一、 表面反應(yīng)層的去除

表面反應(yīng)層是影響鈦鑄件理化性能的主要因素，在鈦鑄件研磨拋光前，必須達到完全去除表面污染層，才能達到滿意的拋光效果。通過噴砂后酸洗的方法可完全去除鈦的表面反應(yīng)層。  1. 噴砂： 鈦鑄件的噴砂處理一般選用白剛玉粗噴較好，噴砂的壓力要比非貴金屬者較小，一般控制在0.45Mpa以下。因為，噴射壓力過大時,砂粒沖擊鈦表面產(chǎn)生激烈火花，溫度升高可與鈦表面發(fā)生反應(yīng),形成二次污染，影響表面質(zhì)量。時間為15~30秒，僅去除鑄件表面的粘砂、表面燒結(jié)層和部分和氧化層即可。其余的表面反應(yīng)層結(jié)構(gòu)宜采用化學(xué)酸洗的方法快速去除。  2. 酸洗： 酸洗能夠快速完全去除表面反應(yīng)層，而表面不會產(chǎn)生其他元素的污染。HF—HCl系和HF—HNO3系酸洗液都可用于鈦的酸洗，但HF—HCl系酸洗液吸氫量較大，而HF—HNO3系酸洗液吸氫量小，可控制HNO3的濃度減少吸氫，并可對表面進行光亮處理，一般HF的濃度在3%~5%左右，HNO3的濃度在15%~30%左右為宜。

二、鑄造缺陷的處理

內(nèi)部氣孔和縮孔內(nèi)部缺陷：可等熱靜壓技術(shù)(hot isostatic pressing)去除, 但對義齒的精度會產(chǎn)生影響，最好用X線探傷后，表面磨除暴露氣孔，用激光補焊。表面氣孔缺陷可直接用激光局部焊接修補。

三、研磨與拋光

1、 機械研磨： 鈦的化學(xué)反應(yīng)性高，導(dǎo)熱系數(shù)低，粘性大，機械研磨研削比低，且易于磨料磨具發(fā)生反應(yīng)，普通磨料不宜用于鈦的研磨與拋光，最好采用導(dǎo)熱性好的超硬磨料，如金剛石、立方氮化硼等，拋光線速度一般為900~1800m/min.為宜，否則，鈦表面易發(fā)生研削燒傷和微裂紋。

2、 超聲波研磨： 通過超聲振動作用，使磨頭和被研磨面間的磨粒與被研磨面產(chǎn)生相對運動而達到研磨、拋光的目的。其優(yōu)點在于常規(guī)旋轉(zhuǎn)工具研磨不到的溝、窩和狹窄部位變得容易了，但較大的鑄件研磨效果還不能令人滿意。

3、電解機械復(fù)合研磨： 采用導(dǎo)電磨具，在磨具與研磨面之間施加電解液和電壓，通過機械和電化學(xué)拋光的共同作用下，降低表面粗糙度提高表面光澤度。電解液為0.9NaCl，電壓為5v，轉(zhuǎn)速為3000rpm/min.，此方法只能研磨平面，對復(fù)雜的義齒支架的研磨還處于研究階段。

4、桶研磨：利用研磨桶的公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力，使桶內(nèi)的義齒與磨料相對摩擦運動而起到降低表面粗糙度的研磨目的。研磨自動化、效率高，但只能降低表面粗糙度而不能提高表面光澤度，研磨的精度較差，可用與義齒精拋光前的去毛刺和粗研磨。

5、化學(xué)拋光：化學(xué)拋光是通過金屬在化學(xué)介質(zhì)中的氧化還原反應(yīng)而達到整平拋光的目的。其優(yōu)點是化學(xué)拋光與金屬的硬度、拋光面積與結(jié)構(gòu)形狀無關(guān)，凡與拋光液接觸的部位均被拋光，不須特殊復(fù)雜設(shè)備，操作簡便，較適合于復(fù)雜結(jié)構(gòu)鈦義齒支架的拋光。但化學(xué)拋光的工藝參數(shù)較難控制，要求在不影響義齒精度的情況下能夠?qū)αx齒有良好的拋光效果。較好的鈦化學(xué)拋光液是HF和HNO3 按一定比例配制，HF是還原劑，能溶解鈦金屬，起到整平作用，濃度<10%, HNO3起氧化作用，防止鈦的溶解過度和吸氫，同時可產(chǎn)生光亮作用。鈦拋光液要求濃度高，溫度低，拋光時間短(1~2min.)。

6、電解拋光：又稱為電化學(xué)拋光或者陽極溶解拋光，由于鈦的電導(dǎo)率較低，氧化性能極強，采用有水酸性電解液如HF&mdash;H3PO4、HF&mdash;H2SO系電解液對鈦幾乎不能拋光，施加外電壓后，鈦陽極立刻發(fā)生氧化，而使陽極溶解不能進行。但采用無水氯化物電解液在低電壓下，對鈦有良好的拋光效果，小型試件可得到鏡面拋光，但對于復(fù)雜修復(fù)體仍不能達到完全拋光的目的，也許采用改變陰極形狀和附加陰極的方法能解決這一難題，還有待于進一步研究。

四、鈦的表面改性

1、 氮化：采用等離子體滲氮、多弧離子鍍、離子注入和激光氮化的等化學(xué)熱處理技術(shù)， 在鈦義齒表面形成金黃色TiN滲鍍層，從而提高鈦的耐磨性、耐腐蝕性和耐疲勞性。但技術(shù)復(fù)雜，設(shè)備昂貴，用于鈦義齒的表面改性很難達到臨床實用化。

2、陽極氧化：鈦的陽極氧化技術(shù)較為容易，在一些氧化性介質(zhì)中，外加電壓的作用下，鈦陽極可形成較厚的氧化膜，從而提高其耐腐蝕性和耐磨性和耐候性。陽極氧化的電解液一般采用H2SO4、H3PO4和有機酸水溶液。

3、大氣氧化：鈦在高溫大氣中可形成較厚堅固的無水氧化膜，對鈦的全面腐蝕、間隙腐蝕都有效，方法比較簡便。

五、 著色

為了增加鈦義齒的美感、防止鈦義齒在自然條件下的繼續(xù)氧化的變色，可采用表面氮化處理、大氣氧化和陽極氧化法表面著色處理，使表面形成淡黃色或金黃色，提高鈦義齒的美感。陽極氧化法利用鈦的氧化膜對光的干涉作用，自然發(fā)色，可通過改變槽電壓在鈦表面形成多彩的顏色。

六、 其他表面處理

1、表面粗化：為了提高鈦與飾面樹脂的粘結(jié)性能，必須對鈦表面進行粗化處理，提高其粘結(jié)面積。臨床上常采用噴砂粗化處理，但噴砂會造成鈦表面的氧化鋁的污染，我們采用草酸刻蝕的方法，得到良好的粗化效果，刻蝕1h表面粗糙度（Ra）可達到1.50&plusmn;0.30&mu;m，刻蝕2h Ra為2.99&plusmn;0.57&mu;m，比單獨噴砂的Ra（1.42&plusmn;0.14&mu;m）提高一倍多，其粘結(jié)強度提高了30%。

2、抗高溫氧化的表面處理：為了防止鈦在高溫下的急劇氧化，在鈦表面形成鈦硅化合物及鈦鋁化合物，可防止鈦在700℃以上溫度下的氧化。這種表面處理對鈦的高溫氧化非常有效，也許鈦表面涂覆這類化合物，對鈦瓷結(jié)合有利，仍須進一步研究。