Ti6Al4V是牙科种植体等硬组织替代或修复的优选材料，其表面形态会影响成骨细胞与种植体表面的相互作用，对术后的骨整合过程有着显著的影响。高压水射流技术是一种经济、环保的表面处理技术，不仅可以优化调控材料表面形貌，还避免了金属颗粒高速冲击所可能带来的表面剥蚀和微裂纹扩展。医用钛合金在水射流冲击强化过程中的随机性来源于两方面：一是水射流雾化后所产生的水滴随机性，主要表现在速度、尺寸及空间位置分布等方面，使得高速水滴冲击医用钛合金表面是一个典型的随机作用过程；二是钛合金表面形貌的随机性，水射流冲击前后的表面形貌均展现出高度、波长随机分布的特征。实验室针对上述两个主要问题，对水射流在不同靶距处的特征速度进行理论分析，推导出速度空间分布函数；将雾化后的水滴简化为不同直径的球形，建立空间位置随机的多水滴冲击模型；发展随机粗糙表面建模方法，从表面形貌的高度参数、空间参数、复合参数和功率谱密度等方面对不同初始表面形貌、不同冲击速度、不同冲击时长下的钛合金表面进行系统的三维形貌参数表征分析；研究水射流冲击对于医用钛合金表面形貌的影响机制，阐明表面形貌的演变机理。相关研究成果发表在International Journal of Engineering Science、Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials、European Journal of Mechanics - A/Solids等期刊上。

(a)	(b)
图1.  水射流特征速度分析 (a)水射流特征速度分布示意图；(b)水射流前端速度分布示意图

 

(a)	(b)	(c)
图2.  相同轮廓高度、不同波长的粗糙表面的有限元模型 (a) Sa0=1μm, λ0=9.4μm; (b) Sa0=1μm, λ0=18.8μm; (c) Sa0=1μm, λ0=37.6μm

 

(a)	(b)
图3.  高压水射流的数值模拟 (a)多水滴模型；(b)多水滴冲击变形过程和基体的等效塑性应变(PEEQ)分布

 

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图4. 高压水射流冲击前后的表面功率谱密度分析  (a) λ0=9.4μm; (b) λ0=18.8μm; (c) λ0=37.6μm