進(jìn)給速度對MI工藝制備SiCf/SiC復(fù)合材料加工損傷的影響

姜卓鈺 趙春玲 束小文 劉志強(qiáng) 焦 健

（1 先進(jìn)復(fù)合材料科技重點(diǎn)實驗室，中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095）

（2 表面工程研究所，中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095）

（3 中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所，株洲 412002）

（4 陸軍裝備部航空軍事代表局駐北京地區(qū)航空軍事代表室，北京 100101）

（5 精密與特種加工教育部重點(diǎn)實驗室，大連理工大學(xué)，大連 116024）

文 摘 采用超聲輔助磨削對MI工藝制備的SiCf/SiC 復(fù)合材料表面進(jìn)行磨削加工，研究了進(jìn)給速度對復(fù)合材料性能的影響。結(jié)果表明：采用超聲輔助磨削加工SiCf/SiC 復(fù)合材料表面時，加工區(qū)域出現(xiàn)纖維脫粘、斷裂、破碎及基體裂紋和脫落現(xiàn)象，且纖維與基體界面會有裂紋產(chǎn)生。當(dāng)進(jìn)給速度提高時，復(fù)合材料表面損傷加重，導(dǎo)致其比例極限強(qiáng)度和最大載荷降低。進(jìn)給速度由400 mm/min提高至1 000 mm/min時，SiCf/SiC復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度分別降低4.7%和20.6%。

0 引言

SiCf/SiC 復(fù)合材料是以SiC 連續(xù)纖維為增強(qiáng)體，SiC 陶瓷為基體的復(fù)合材料。這種材料具有耐磨、耐高溫、抗蠕變、耐腐蝕、抗燒傷等優(yōu)點(diǎn)［1-2］。同時，由于在脆性的SiC陶瓷基體中引入了連續(xù)SiC纖維作為增強(qiáng)體，SiCf/SiC 復(fù)合材料克服了陶瓷材料斷裂韌性低和抗外部沖擊載荷性能差等缺點(diǎn)［3］。因而成為航空航天領(lǐng)域，尤其航空發(fā)動機(jī)中典型構(gòu)件選材的熱門［4-5］。

SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)合材料典型構(gòu)件的制備過程中，需要通過機(jī)械加工實現(xiàn)典型構(gòu)件的最終結(jié)構(gòu)。但由于SiCf/SiC 復(fù)合材料具有典型的各向異性特征，基體材料具有典型的脆性特征。且連續(xù)增強(qiáng)體纖維與基體相之間的界面相也易損傷。因此機(jī)械加工會對SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)合材料造成明顯損傷，使復(fù)合材料中出現(xiàn)纖維脫落、基體破碎等現(xiàn)象，從而降低復(fù)合材料的性能，進(jìn)而影響SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)合材料典型構(gòu)件的使用壽命［6］。尤其當(dāng)加工工藝參數(shù)選擇不當(dāng)時，這種加工損傷更加明顯。

目前關(guān)于SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)合材料加工具有較多報道。更多關(guān)注的不同加工方式對SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)合材料微觀形貌等的影響［7］。張文武等［8］對陶瓷基復(fù)合材料的加工技術(shù)進(jìn)行了比較，闡述了機(jī)械加工、傳統(tǒng)超聲加工以及旋轉(zhuǎn)超聲加工的工藝特點(diǎn)，對比發(fā)現(xiàn)超聲加工具有明顯的優(yōu)勢。FENG 等［9］采用超聲輔助加工對Cf/SiC 復(fù)合材料鉆孔，發(fā)現(xiàn)超聲輔助作用可有效降低進(jìn)給力。康仁科等［10］通過研究超聲輔助磨削和普通磨削SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)合材料時的磨削力、表面形貌等，發(fā)現(xiàn)超聲振幅在一定范圍內(nèi)有助于改善加工件表面的質(zhì)量。LIU［11］研究了Cf/SiC復(fù)合材料的超聲輔助加工，研究結(jié)果表明進(jìn)給速度與纖維方向呈一定角度時，可以有效提高加工件的表面粗糙度。可見與普通機(jī)械加工相比，超聲輔助加工技術(shù)可有效降低切削力、改善加工質(zhì)量等。采用超聲振動輔助加工時，進(jìn)給速度直接關(guān)系到加工效率，現(xiàn)有研究中就進(jìn)給速度對于SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)合材料加工影響的研究較少，因此具有深入研究的必要性。

本文采用超聲輔助磨削加工SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)合材，通過對不同進(jìn)給速度加工后復(fù)合材料的性能、表面形貌等測試，研究進(jìn)給速度對復(fù)合材料的性能影響，為SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)合材料類零件的高效低損傷加工提供研究基礎(chǔ)。

1 實驗材料及方法

1.1 SiCf/SiC復(fù)合材料制備

該材料選用國產(chǎn)的連續(xù)SiC 纖維為增強(qiáng)體，采用料漿浸漬法制備SiC纖維預(yù)浸料。將SiC纖維預(yù)浸料正交鋪層制備SiC 纖維預(yù)制體。最后采用熔滲工藝（Melt infiltration，MI）工藝制備試驗用SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)合材料，具體熔滲工藝制備過程參見文獻(xiàn)［12］。

1.2 加工設(shè)備及方法

加工試驗在集成超聲輔助系統(tǒng)的三軸立式數(shù)控加工中心上進(jìn)行，機(jī)床主軸最高轉(zhuǎn)速15 000 r/min。加工刀具選擇金剛石磨頭，磨頭直徑為10 mm。超聲輔助系統(tǒng)的輸出頻率28 kHz，振幅5 μm。加工時保持其他參數(shù)不變，分別采用400 mm/min 和1 000 mm/min 兩種進(jìn)給速度對SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)合材料平板件的上下表面進(jìn)行加工（如圖1），具體加工參數(shù)見表1。

表1 加工參數(shù)Tab.1 Parameters of Machining

1.3 測試表征

彎曲及拉伸強(qiáng)度采用MTS810 材料試驗系統(tǒng)進(jìn)行測試，彎曲強(qiáng)度測試參照標(biāo)準(zhǔn)為GB/T6569—2006《精細(xì)陶瓷彎曲強(qiáng)度試驗方法》；拉伸強(qiáng)度參照標(biāo)準(zhǔn)為GJB6475—2008《連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料常溫拉伸性能試驗方法》。采用ZWSP-4K CN 光學(xué)顯微鏡和OLS 4100 三維激光共聚焦顯微鏡對樣品形貌進(jìn)行觀察；采用Nova Nano SEM450 掃描電子顯微鏡（SEM）對樣品的微觀形貌進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與討論

圖2 為不同進(jìn)給速度加工復(fù)合材料試樣的性能測試結(jié)果。可見Sample-A 樣品的拉伸強(qiáng)度為253 MPa，彎曲強(qiáng)度為743 MPa。Sample-B 樣品的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度均有所下降，分別為241 MPa 和590 MPa。相比于Sample-A 樣品分別下降了4.7%和20.6%。

圖3為兩種樣品彎曲強(qiáng)度測試過程中的載荷-位移曲線。由圖可見，在初始受載階段，兩種樣品均表現(xiàn)出準(zhǔn)彈性的應(yīng)變過程［13］。當(dāng)載荷逐漸增大時，兩種樣品中均出現(xiàn)了“震蕩”。 Sample-A 樣品的載荷位移曲線中，首次出現(xiàn)“震蕩點(diǎn)”對應(yīng)的載荷約為500 MPa。Sample-B 樣品的載荷位移曲線中，首次出現(xiàn)“震蕩點(diǎn)”對應(yīng)的載荷約為200 MPa，隨著載荷的進(jìn)一步增加，出現(xiàn)了較多的“震蕩點(diǎn)”。同時Sample-B 樣品的曲線斜率明顯下降，因此其最大載荷有明顯降低。

圖4 為不同進(jìn)給速度加工復(fù)合材料表面的放大形貌。可見，超聲輔助機(jī)械加工后，加工區(qū)SiC 基體表面形成研磨紋路。對比低倍照片圖（a）和（c）可見提高進(jìn)給速度時，研磨紋路間距明顯變大。同時，由高倍放大圖（b）和（d）可見，加工區(qū)表面明顯存在彩色的橫向條紋，該條紋為SiC 纖維。Sample-A 樣品中，大部分區(qū)域的SiC纖維被銀灰色的SiC基體覆蓋。Sample-B樣品加工區(qū)橫向SiC纖維暴露區(qū)域較大，銀灰色的SiC基體區(qū)域較小。

圖5 為兩種試樣加工表面的三維形貌。可以看出Sample-A 樣品表面高度差為60.079 μm，Sample-B 樣品表面高度為107.373 μm。可見提高進(jìn)給速度后，試樣加工表面的起伏更大。因此高進(jìn)給速度加工的試樣表面可能會形成更嚴(yán)重的加工損傷。

圖6 兩種樣品加工表面的微觀形貌。由圖6（a）和（c）可見，經(jīng)過超聲輔助機(jī)械加工后，試樣表面有不同程度的損傷，纖維脫黏后形成了溝槽，部分區(qū)域出現(xiàn)了基體脫落。圖6（b）中Sample-A 樣品表面加工區(qū)域出現(xiàn)了明顯的纖維剝落，纖維與基體的界面處出現(xiàn)了裂紋。圖6（d）中Sample-B 樣品表面加工區(qū)除纖維與基體界面處出現(xiàn)裂紋外，還出現(xiàn)了嚴(yán)重的纖維破碎、折斷等缺陷。

在超聲輔助磨削加工過程中，材料的去除機(jī)理分為兩個不同階段。一個是韌性區(qū)去除，另一個階段是脆性區(qū)去除。當(dāng)磨削加工的實際深度由0 逐漸增大并超過臨界加工深度時，加工過程由韌性區(qū)去除階段轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詤^(qū)去除階段。對于MI 工藝制備的SiCf/SiC 復(fù)合材料，其磨削加工時的臨界加工深度值與材料本身的物理特性相關(guān)，與超聲輔助加工參數(shù)無關(guān)，而實際加工深度與磨削力F正相關(guān)［14］。

圖7 為超聲磨削加工示意圖。可見在磨削加工過程中，SiC 纖維和基體會受到金剛石磨頭施加的法向力Fn和切向力Ft的作用，F(xiàn)n和Ft的合力為磨削力F。當(dāng)磨削力增大時，實際磨削加工深度趨近或超過臨界加工深度，材料加工去除機(jī)理轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈匀コ４藭r磨頭施加的磨削力大于纖維與基體的結(jié)合強(qiáng)度，使得材料加工區(qū)出現(xiàn)裂紋并發(fā)生擴(kuò)展［15-16］［圖8（a）］，甚至出現(xiàn)加工區(qū)纖維脫黏并與基體分離后沿磨削力方向移動的現(xiàn)象，這將對周圍基體形成擠壓，導(dǎo)致加工區(qū)周圍基體脫落［圖8（b）］。

磨削力與進(jìn)給速度存在正相關(guān)［17］。即當(dāng)其他參數(shù)不變，進(jìn)給速度提高時，磨削力將明顯增加。因此，采用更高進(jìn)給速度加工復(fù)合材料時，磨頭對纖維及基體會產(chǎn)生更大的磨削力，脆性去除機(jī)理將使加工區(qū)形成更為嚴(yán)重的加工損傷［18］。因此，相比于Sample-A，Sample-B 樣品加工區(qū)的纖維斷裂、剝離、和破碎等現(xiàn)象更加明顯，復(fù)合材料表面損傷更加嚴(yán)重。

MI 工藝制備的SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)合材料具有典型的硬脆特性，因此對加工表面的微裂紋較為敏感。采用磨削加工在試樣表面形成微小裂紋后，在復(fù)合材料試樣受載時，裂紋源開始擴(kuò)展，導(dǎo)致復(fù)合材料強(qiáng)度下降［19］。相比于Sample-A 樣品，采用較高的進(jìn)給速度加工使Sample-B 樣品表面形成了更嚴(yán)重的損傷，在受載過程中更易開裂，因此在載荷位移曲線中出現(xiàn)了較多的“震蕩點(diǎn)”。同時，Sample-B 樣品中加工損傷深度較大，因此Sample-B 樣品的拉伸及彎曲強(qiáng)度明顯下降。

3 結(jié)論

采用超聲輔助機(jī)械加工的方法對SiCf/SiC 復(fù)合材料表面進(jìn)行磨削加工，進(jìn)給速度較高時，金剛石磨頭對SiC 纖維和基體的磨削力增大。大磨削力的加工過程將導(dǎo)致實際磨削加工深度大于SiCf/SiC 復(fù)合材料的臨界加工深度，材料去除機(jī)理由韌性區(qū)去除轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詤^(qū)去除。此時纖維與基體的界面及SiC基體中出現(xiàn)裂紋，復(fù)合材料表面部分區(qū)域出現(xiàn)纖維脫黏、斷裂、破碎及脫落等現(xiàn)象，加工區(qū)形成嚴(yán)重的損傷。本文中，當(dāng)進(jìn)給速度由400 mm/min 提高至1 000 mm/min 時，SiCf/SiC 復(fù)合材料表面加工損傷加重，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度別下降了4.7%和20.6%。因此，在加工過程中，應(yīng)根據(jù)MI-SiCf/SiC復(fù)合材料特性，選擇適合的進(jìn)給速度等加工參數(shù)，使磨削力F小于纖維與基體的結(jié)合強(qiáng)度，從而降低加工損傷，提高復(fù)合材料產(chǎn)品的綜合性能。