李成龍，桑風宏，肖凱

大連長豐實業(yè)總公司，遼寧 大連 116038

吹砂是利用凈化的壓縮空氣將剛玉砂(氧化鋁)、塑料顆粒、石英砂(二氧化硅)等砂料噴向零件表面，借助砂料強力的撞擊作用達到清理或裝飾的目的[1-2]。吹砂的主要作用為：第一，粗化材料表面，增大材料的比表面積，以提高后續(xù)膜層的附著力；第二，令金屬表面形成致密層，既能消除裂紋等表面缺陷，也能延長材料的再銹蝕期，但可能會影響探傷和表層品質(zhì)；第三，使金屬表面形成一定的壓應力，抵消有害的拉應力疲勞，達到表面強化的效果。應根據(jù)零件材料、表面狀態(tài)和加工要求來選用不同粒度的砂料。飛機零部件修理常采用白剛玉砂和塑料丸作為砂料。剛玉吹砂的主要用途有：去除零件表面的銹蝕、焊渣、積碳、舊油漆層；去除鑄件、鍛件或熱處理后零件表面的氧化皮；去除零件表面的毛刺或方向性磨痕，降低零件的表面粗糙度，使零件呈漫反射消光狀態(tài)。塑料丸吹砂則主要用于各型飛機的高強度鋼、鋁合金、鎂合金、玻璃鋼等零件表面除漆。

從操作形式看，吹砂機可分為自動式和手動式。自動吹砂機對人操作技能的要求不高。手動吹砂設備需要操作者結合不同零件采用不同砂料、壓力和工裝進行處理，同時存在人為因素的影響。從結構看，吹砂機可分為吸入式和壓入式。吸入式吹砂機采用引入型噴槍，以壓縮空氣為動力，通過氣流的高速運動在噴槍內(nèi)形成負壓，吸入砂料，并送到噴槍口高速噴出。這類設備小型、結構簡單，但生產(chǎn)效率較低，輸送單位質(zhì)量砂料所消耗的壓縮空氣量較大，因而多用于復雜形狀的中小型零件。壓入式吹砂機采用直射型噴槍，砂料與壓縮空氣在混合室內(nèi)混合后一起沿著軟管送至噴槍口高速噴出，其優(yōu)點是噴射力強、生產(chǎn)效率高，但設備比較復雜，更適用于大、中型零件。

目前，吸入式吹砂機已逐漸被壓入式吹砂機取代。但是，飛機修理中涉及的部分零件呈小批量、多品種的特征，有些還是形狀復雜的小尺寸、高精度零件，存在需要局部處理、退除困難的情況，還是需要采用吸入式吹砂機或便攜式吹砂機。本文主要針對飛機修理過程中不同零件的吹砂進行試驗和分析，確定壓入式吹砂機的出砂壓力、接觸角度、吹砂距離、砂料目數(shù)、砂料形狀等技術參數(shù)，以滿足不同的處理要求，也為其他類似的工業(yè)吹砂應用提供參考。

1 實驗

1.1 吹砂實驗

1.1.1 主要儀器

壓入式手動吹砂機(型號SJ-1515P-G、SJ-1010P-G、SJ-8080P-G、SJ-1515P-F)：湖北三江航天涂裝；S4800 型掃描電子顯微鏡：日立；Time3220 粗糙度測試儀：北京時代之峰科技；千分尺(精度0.001 mm)：長城精工。

1.1.2 吹砂工藝

研究試樣為?10 mm × 100 mm 的試棒、?15 mm × 10 mm 的試片及部分實際零件，其材質(zhì)包括：普通碳鋼45 鋼；較高強度鋼30CrMnSiA，高強度鋼30CrMnSiNi2A，超高強度鋼300M；低強度不銹鋼0Cr15Ni5Cu2Ti，高強度不銹鋼2Cr13、1Cr15Ni4Mo3N、0Cr16Ni6；軸承鋼GCr15；鈦合金TC6；鋁合金ZL116、LY12；鎂合金ZM5。

表1 列出了不同零件吹砂的砂料種類和目數(shù)、出砂壓力等參數(shù)。

表1 吹砂處理工藝條件Table 1 Sandblasting conditions

吹砂的注意事項如下：

1) 正式吹砂前，先調(diào)節(jié)壓力試噴，以保證出砂穩(wěn)定及壓力穩(wěn)定。

2) 根據(jù)不同零件的特征選用不同的設備進行吹砂，鈦合金零件和不銹鋼零件不能與一般的鋼鐵零件共用一個砂箱。

3) 吹砂時，保持噴嘴與零件的待吹砂表面距離為150 ～ 250 mm，吹砂角度為45° ～ 80°，令噴槍與零件之間保持相對平穩(wěn)的移動，使工件表面均勻地受到砂料撞擊，禁止長時間集中于一處吹砂，盡量減少吹砂次數(shù)。

1.2 吹砂要求

1.2.1 外觀(日常檢查)

外觀屬于日常檢查項目。目視吹砂零件外表面，用5 ～ 10 倍的放大鏡檢查外部，或使用照明工具檢查零件內(nèi)表面，確認不存在舊漆層、打傷、變形、銹蝕、殘砂、漏吹和其他污物，顏色應均勻一致。

針對熱處理后需進行硫酸銅試劑檢驗的不銹鋼零件，關鍵零件應100%檢驗，其余零件進行抽檢(100 件以上抽檢5%、50 ～ 100 件抽檢15%、50 件以下抽檢30%)。檢驗步驟為：先用壓縮空氣吹凈零件，再將硫酸銅試劑(由16 ～ 17 g/L CuSO4·5H2O 和5 ～ 6 mL/L 硫酸組成，有效期為2 周)擦拭在被測零件表面，6 min 后擦干，表面沒有銅析出表示合格。

1.2.2 尺寸和清理效果(周期性檢查)

由于批量生產(chǎn)時，吹砂結束后要快速轉(zhuǎn)交下道工序，無法像外觀那樣，對大量產(chǎn)品的尺寸精度和表面狀態(tài)進行檢查，只能按批次檢查或者進行周期性檢查。

1.2.2.1 尺寸公差

對于具有公差尺寸要求的零件，在正常工藝條件下首次吹砂后可不考慮零件尺寸。但對于多次返工吹砂處理的零件，尺寸變化會影響電鍍層或其他涂層的厚度。例如，高強度鋼鍍鎘層厚度為3 ～ 6 μm，那么吹砂前后的零件尺寸變化量不能超過3 μm(含測量誤差)，即1 ～ 2 μm 的尺寸變化量可以接受。

1.2.2 .2 表面粗糙度

對于具有表面粗糙度要求的零件，在吹砂后進行全數(shù)檢驗不現(xiàn)實，可進行抽檢。也可以按照電鍍工藝進行鍍后控制檢測。當吹砂、電鍍屬于同一部門或工序時，技術管控更易執(zhí)行。

1.2.2 .3 清理效果

目視檢查外觀較為單一，必要時可借助金相顯微鏡或者掃描電鏡來進一步檢查清理效果，并基于此，分析吹砂對后續(xù)涂(鍍)層結合力的影響。該法也可作為分析涂(鍍)層結合力故障問題的手段之一。

每月進行1 次綜合檢查，檢查項目包含尺寸公差變化、表面粗糙度變化和清理效果，根據(jù)檢查結果逆向控制工藝參數(shù)、設備操作和物料，并針對特殊零件，確定相應的參數(shù)范圍。

2 結果與討論

2.1 吹砂對零件尺寸的影響

2.1.1 常規(guī)吹砂

按照表1 的工藝參數(shù)對各類零件進行吹砂，然后檢測尺寸變化，未發(fā)現(xiàn)零件尺寸變化明顯的情況。實際生產(chǎn)時進行抽樣檢查，也未出現(xiàn)因吹砂引起的金屬基體尺寸變化的現(xiàn)象，因此重點分析多次返工吹砂后試樣的尺寸變化情況。

2.1.2 多次返工吹砂

按照表1 對各類零件進行多次吹砂，分析其相對于原始尺寸的變化情況，結果見表2。

表2 吹砂不同次數(shù)后不同材質(zhì)零件尺寸的減小量Table 2 Decrease in size of products made of different materials after being sandblasted for different times(單位：μm)

從表2 可知，除了低強度不銹鋼0Cr15Ni5Cu2Ti 外，其他金屬零件在經(jīng)歷2 次吹砂后尺寸并無明顯變化。3 次吹砂后，高強度鋼30CrMnSiNi2A 和300M 的尺寸略微減小(≤2 μm)，總體變化不大；強度較低的鋼制零件(如45 鋼)在經(jīng)歷4 次吹砂后，尺寸大幅降低，減小了大概20 μm；鈦合金經(jīng)歷3 次吹砂后尺寸也有所降低，但由于鈦合金具有較高的比強度，在第四次吹砂時尺寸才有明顯降低。

因此，在正常工藝條件下，為減小多次吹砂對零件尺寸的影響，一般鋼鐵件、不銹鋼件、鈦合金件都要盡量減少吹砂次數(shù)，因為多次表面處理返工或者表面有嚴重的氧化、銹蝕都會造成基體尺寸減小。另外，針對彈簧、薄板等易變形零件，還要控制好吹砂距離、壓力等參數(shù)，保證不因為吹砂力度較大而引起零件變形，甚至影響彈簧力值或者基體強化層的表面強度。

2.2 吹砂對零件表面粗糙度的影響

由于零件吹砂后的粗糙度變化對退漆、除銹、除膜等的影響較小，對電鍍、鈍化等的前處理影響較大，因此本次研究主要針對航空零件常用的30CrMnSiA、0Cr15Ni5Cu2Ti、30CrMnSiNi2A、GCr15 等材料(后兩種材料常用于精密鋼制件)進行吹砂試驗，以研究吹砂對零件表面粗糙度的影響。

2.2.1 常規(guī)吹砂

實際生產(chǎn)時進行抽樣檢查，未出現(xiàn)因吹砂引起表面粗糙度不合格現(xiàn)象，因此重點分析多次吹砂后材料表面粗糙度的變化情況。

2.2.2 多次返工吹砂

結合近年來的生產(chǎn)實踐，在工藝編制和工序設計時，對工件吹砂后的表面粗糙度(Ra)要求如下：

1) 新制件吹砂后的表面粗糙度允許降1 級，即Ra增大1 倍。

2) 返工零件或者從原機拆卸下來的舊制件在無二次機械加工的前提下，經(jīng)過除油、除銹、退鍍后，一般鋼鐵件吹砂后的表面粗糙度允許降2 級(即Ra增大2 倍)，而對于低強度不銹鋼、鈦合金零件，吹砂后的表面粗糙度不作特殊要求，能裝配即可。

選取4 種材料的高精度表面進行多次吹砂，并檢測表面粗糙度Ra，結果列于表3。

表3 吹砂不同次數(shù)后不同材質(zhì)零件的表面粗糙度Table 3 Surface roughness of products made of different materials after being sandblasted for different times(單位：μm)

從表3 可知，較高強度鋼30CrMnSiA 和高強度鋼30CrMnSiNi2A 在每次吹砂后基本能夠保證表面粗糙度降低1 級；低強度不銹鋼0Cr15Ni5Cu2Ti 在第一次吹砂后表面粗糙度變化不大，這是因為0Cr15Ni5Cu2Ti 吹砂時采用了較小的壓力和較細的砂料(見表1 第7 項)，但這種低強度不銹鋼經(jīng)過多次吹砂后，表面粗糙度變化明顯；GCr15 屬于硬度較高的軸承鋼，較小的吹砂壓力和較細的砂料不會對其產(chǎn)生很大的影響，吹砂數(shù)次后Ra的變化都不大。

另外，控制零件鍍前的表面粗糙度也很關鍵，鍍前表面不夠光滑、平整，后期吹砂更加困難[3-4]。實際生產(chǎn)中，由于工序間防銹工作不到位而出現(xiàn)銹蝕、熱處理嚴重氧化等情況的話，都會使零件表面粗糙度不達標。

2.3 吹砂工藝條件對清理效果的影響

在吹砂過程中，除了空氣壓力、砂料種類和目數(shù)，砂料純度、噴射角度、噴射距離等也會影響吹砂清理效果。適當增大壓力、增大砂料粒度或縮短吹砂距離可以增強結合力，提高生產(chǎn)效率；吹砂過度也可能對零件精度和基體狀態(tài)產(chǎn)生影響。所以，控制這些影響因素尤為關鍵。下面以幾種材質(zhì)的零件為例進行分析。

沉淀硬化不銹鋼1Cr15Ni4Mo3N 在熱處理后表面生成氧化層，這種氧化層不耐腐蝕，因此要采用表4 的方法清除。

表4 熱處理產(chǎn)生的氧化層的去除方法Table 4 Methods for removal of oxidation films formed during different heat treatments

實際生產(chǎn)中多數(shù)都通過吹砂來清除熱處理產(chǎn)生的氧化層，吹砂后采用硫酸銅試劑來檢測是否有鐵碳氧化物殘留。為保證清理效果，不銹鋼不能與鋼鐵件使用一個砂箱或同種砂料，吹砂的壓力可適當加大，一般以0.3 MPa 為宜。

2.3.2 TC6 熱噴涂前吹砂

鍍鉻層、化學鍍鎳層及熱噴涂層都是硬質(zhì)層，對底層表面品質(zhì)的要求較高，否則容易出現(xiàn)結合力差的問題。圖1 是航空鈦合金TC6 熱噴涂碳化鎢后的表面形貌。從中可以看出，涂層間存在孔隙和孔洞。經(jīng)分析得知，零件吹砂采用的是大型設備，因吹砂過程出砂量不穩(wěn)定而采用了0.4 MPa 以上的空氣壓力、不超過100 mm的吹砂距離及接近90°的吹砂角度，造成少量剛玉砂留在鈦合金表面，雖然涂層結合力合格，但不夠連續(xù)致密，使涂層與基體間的孔隙增加。

圖1 鈦合金TC6 表面熱噴涂碳化鎢涂層的表面形貌Figure 1 Surface morphology of tungsten carbide coating sprayed on surface of TC6 titanium alloy

2.3.3 0Cr16Ni6 電鍍前吹砂

高精度不銹鋼0Cr16Ni6 電鍍前要進行吹砂，以提高鍍層結合力。某0Cr16Ni6 工件在吹砂后，目視檢查表面氧化層已除凈，并且整體明顯變暗(見圖2a)，然而在電鍍銅、鎳后出現(xiàn)如圖2b 和圖2c 所示的起泡現(xiàn)象。經(jīng)分析得出，不銹鋼外表較光亮，尺寸精度較高(Ra≤0.4 μm，直徑方向的尺寸公差為0 ～ 0.01 μm)，吹砂時采用的空氣壓力較小(約0.15 MPa)，吹砂距離也較遠(將近250 mm)，雖然吹砂后外觀變化明顯，但Ra變化不大，僅從0.4 μm 增大至0.5 μm。提高空氣壓力至0.25 MPa 并縮短吹砂距離到150 mm 進行加強吹砂，電鍍后未再出現(xiàn)起泡，鍍層結合力滿足要求。

圖2 不銹鋼0Cr16Ni6 工件經(jīng)不同工藝處理后的外觀Figure 2 Appearance of parts made of 0Cr16Ni6 stainless steel after being treated by different processes

綜上可知，吹砂過程應控制好空氣壓力及噴槍與零件的距離。若空氣壓力太低，達不到清理效果，影響電鍍結合力；若空氣壓力太高、噴槍與零件的距離太近，會造成零件尺寸降低，同時砂料破碎率會顯著上升，砂料尖角嵌入被噴物的概率升高，基體與鍍層間易出現(xiàn)砂料夾雜現(xiàn)象，造成砂料浪費。

綜上所述，對人感染H7N9禽流感病毒患者實施CPT可以改善肺臟氣體交換功能，改善機體缺氧狀態(tài)；俯臥位通氣可使患者肺水腫情況得到改善，最終改善ARDS患者的氧合；CPT和俯臥位通氣可明顯改善患者的肺部通氣與換氣功能，但對血流動力學未產(chǎn)生不利影響。由于本研究病例數(shù)少，胸肺物理治療以及俯臥位通氣對人感染H7N9禽流患者的肺功能的預防改善作用以及遠期效果還需進一步臨床研究證實。

2.4 工藝條件對零件結構和底涂層的影響

2.4.1 砂料殘留

在飛機部附件修理過程中，由于很多零件結構復雜，各部件尺寸配合、關聯(lián)裝配，分解之后將很難恢復，整體分解也會產(chǎn)生不必要的周期浪費和次生品質(zhì)風險，因此要盡可能地對部分區(qū)域進行保護，對特定區(qū)域進行表面處理，避免分解及重新組裝。吹砂工序同樣需要解決這樣的修理難題，吹砂前應對標牌、油孔、組合件縫隙、配合間隙、尺寸精密部位等非吹砂表面進行保護，防止砂料顆粒進入其中而產(chǎn)生系統(tǒng)污染或零件運轉(zhuǎn)卡滯。圖3 是飛機某型傳感器組件(吹砂后的狀態(tài))，內(nèi)部涉及電傳機構和相關元件，外部整體有表面處理層和漆層。需要提前對端口和傳輸口進行密封保護，才能通過吹砂去除外表面漆層。

圖3 飛機修理中的組合件吹砂Figure 3 Sandblasted assembly during aircraft repairing

另外，對于一些腐蝕情況復雜的零件，吹砂前要識別零件漆層厚度和腐蝕程度。首先對零件進行整體吹砂，然后對漆層較厚、腐蝕程度較高的部位吹砂，減少對已吹凈部位的重復處理次數(shù)，也減少砂料對保護部位的沖擊，以防非吹砂部位防護失效。

2.4.2 底層破壞

在吹砂去除涂(鍍)層時，砂料必然會對基體金屬造成沖擊，這就需要選擇正確的砂料和壓力。若金屬表面存在電鍍層、陽極氧化層、噴涂層等涂(鍍)層，并且需要盡可能保留這些涂(鍍)層(飛機修理時允許不進行底層的表面處理)，宜進一步采取小型吹砂機(見圖4)。這種小型吹砂機可以對特定位置進行壓力可變、砂料可切換的靈活處理。

圖4 小型吹砂機Figure 4 Portable small-sized sandblasting machine

飛機修理中很多支臂、托板都要保證在底層硬質(zhì)陽極化膜無大面積損傷的前提下退漆，可以采用吹塑料丸的方式進行除漆。例如，飛機某型鋁合金掛梁導軌需要退除耐磨涂層，其底層是鋁合金硬質(zhì)陽極化膜，若采用大型壓入式吹砂機直接退膜，會損傷底層的硬質(zhì)陽極化膜(見圖5a 框線區(qū))，降低修理后的使用性能。這是由于壓入式吹砂機的吹砂效率較高，局部過度吹砂的情況難以避免。對此，可以先使用壓入式吹砂機對導軌整體進行一遍簡單的吹砂，再采用小型吹砂機進行手工定位吹砂(用46 目棕剛玉砂，壓力為0.2 ～ 0.3 MPa)，人為識別去除狀態(tài)，更易控制吹砂力度，減少吹砂對底層氧化膜的損傷，效果見圖5b 框線區(qū)。

圖5 吹砂退漆工藝改進前(a)后(b)的效果Figure 5 Paint removal effectiveness before (a) and after (b) modification of sandblasting

2.5 工藝條件對批量生產(chǎn)進度和品質(zhì)的影響

按照工藝文件，吹砂到電鍍的間隔時間有明確要求：對于抗拉強度在1 300 MPa 以上的高強度鋼，間隔時間一般不得超過1 h；對于允許鍍前活化的工件，不允許超過2 h。如未明確要求間隔時間，則視為連續(xù)生產(chǎn)過程，也就是吹砂后立即電鍍，間隔時間不超過1 h。但是，大批量生產(chǎn)中間隔時間的控制較為困難，吹砂工作應分批進行，保證吹砂設備有效運行，吹砂完畢盡快轉(zhuǎn)交下道工序，以縮短間隔時間、減少工序間污染。

實際生產(chǎn)時，采用自動壓入式吹砂機，結合吹砂自動生產(chǎn)線可以有效提高產(chǎn)能，但是該種方式更多適用于形狀規(guī)則、種類單一、批量較大的機械類零件，不適用于種類復雜的表面處理生產(chǎn)模式。對于“小批量、多品種”的生產(chǎn)，應采用手動吹砂設備(如圖6 所示)。例如彈簧、螺栓、殼體等零件，電鍍前的吹砂應采用較小的壓力(一般為0.2 ～ 0.3 MPa)，并需要操作人員在吹砂過程中頻繁檢查零件的吹砂狀態(tài)，這些都是自動吹砂設備無法實現(xiàn)的。

圖6 手動吹砂機Figure 6 Manual sandblasting machine

鈦合金、不銹鋼及一般鋼鐵件都需要專用砂箱、砂料分別處理，避免因混砂而影響吹砂效果。對于同時存在鋁合金、鋼鐵件混合材質(zhì)的組合件，應該優(yōu)先選用塑料丸進行吹砂，避免剛玉砂損傷有色金屬。另外，對于漆層較厚、形狀復雜等難以吹砂的零件，例如飛機輪轂、大殼體、搖臂等鋁合金件，可在吹砂前用鐵絲或不銹鋼網(wǎng)筐裝掛在退漆劑中浸泡退漆。浸泡初期，每10 ～ 15 min 檢查一次，不允許金屬表面出現(xiàn)腐蝕；漆層開始掉落或膨脹松軟時應加強觀察，每2 min 至少檢查一次；當大部分漆層膨脹、松軟時，取出零件，用自來水沖洗干凈，保證零件所有部位無退漆劑殘留后吹干，再對凹凸部位、個別特殊點進行吹砂。如此可以在較大程度上提升生產(chǎn)進度。

3 結論

1) 由于吹砂直接影響著工件的尺寸和粗糙度，應盡量減少吹砂次數(shù)，不同材料多次吹砂的影響程度不同。

2) 壓力、吹砂距離和砂料粒度是影響吹砂效果的關鍵因素。為保證不同零件在通用條件下能夠同時進行吹砂處理，必須通過實驗研究和生產(chǎn)實踐總結出合適的工藝參數(shù)并嚴格控制，定期結合零件和吹砂對象進行工藝改進。例如：相比于鋼鐵件，鈦合金電鍍前處理所用砂料應更細(目數(shù)更大)；對薄壁件或易變形件吹砂要適當降低壓力，以使工件保持外形；精密件吹砂所用的砂料足夠細小時，要適當增大壓力，避免粗糙度不足而影響后續(xù)涂(鍍)層的結合力。

3) 對于吹砂退漆后需要保留底層涂層的零件，推薦采用吸入式小型吹砂機，并盡量選擇塑料丸等軟質(zhì)砂料；對于“小批量、多品種”的生產(chǎn)，宜采用手動吹砂設備。