劉 謙， 孟凡卓， 田欣利， 唐修檢， 吳樂樂

(1. 陸軍裝甲兵學(xué)院裝備保障與再制造系， 北京 100072； 2. 浙江帥豐電氣股份有限公司， 浙江 紹興 310000)

C/SiC復(fù)合材料是在C/C預(yù)制體上，通過不同方法燒結(jié)SiC形成的復(fù)合材料。與SiC陶瓷相比，其韌性得到顯著提升，具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損和抗氧化等優(yōu)良性能，在航空航天、機(jī)械制造、汽車和軍工等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[1- 2]。作為一種難加工材料[3]，C/SiC復(fù)合材料的加工方法主要有機(jī)械加工方法和特種加工方法。其中：機(jī)械加工方法(如磨削、銑削等)的加工精度較高、質(zhì)量較好，但刀具磨損大、加工效率低；特種加工方法(如磨料水射流切割、激光加工、超聲加工等)的刀具磨損小、加工成本低，但加工精度較低[4]。目前，國(guó)內(nèi)采用金剛石砂輪磨削加工方法較多。如：丁凱等[5]對(duì)二維正交編織結(jié)構(gòu)C/SiC復(fù)合材料進(jìn)行了平面磨削實(shí)驗(yàn)，分析了磨削亞表面損傷，發(fā)現(xiàn)碳纖維層損傷表現(xiàn)為階梯狀脆性斷裂，SiC基體損傷表現(xiàn)為脆性斷裂和微裂紋；劉杰等[6]對(duì)2D-C/SiC復(fù)合材料進(jìn)行了高速磨削實(shí)驗(yàn)，并對(duì)磨削機(jī)理進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)材料以脆性斷裂方式去除；池憲等[7]采用正交實(shí)驗(yàn)法對(duì)C/SiC復(fù)合材料進(jìn)行磨削加工，并對(duì)磨削參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)需要對(duì)工作臺(tái)速度進(jìn)行改進(jìn)。

碳纖維作為C/SiC復(fù)合材料的增韌材料，在材料加工過程中，纖維層的存在會(huì)影響加工特性。目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于C/SiC復(fù)合材料纖維方向?qū)δハ骷庸び绊懙难芯枯^少。因此，筆者采用小直徑金剛石砂輪對(duì)C/SiC復(fù)合材料進(jìn)行端面磨削加工，重點(diǎn)研究不同纖維方向的磨削特征和磨削機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)采用氣相滲硅反應(yīng)燒結(jié)工藝(Gaseous Si Infiltration，GSI)，以氣相硅作為滲透物和反應(yīng)物，與C/C多孔體中C組分反應(yīng)生成SiC而制備出的C/SiC復(fù)合材料[8]。該材料尺寸為60 mm×30 mm×15 mm，其中：碳纖維束按0°/90°方向疊加成碳纖維層，厚度為0.2～0.4 mm；SiC基體層厚度為1.5～2.5 mm。C/SiC復(fù)合材料性能參數(shù)如表1所示。

表1 C/SiC復(fù)合材料性能參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)機(jī)床為BV75立式加工中心，其性能參數(shù)如表2所示。實(shí)驗(yàn)采用小砂輪端面磨削方法，所用砂輪為樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪，砂輪直徑為60 mm，目數(shù)為80#。磨削參數(shù)如下：磨削深度為20～100 μm，進(jìn)給速度為2 000～6 000 mm/min，砂輪轉(zhuǎn)速為2 000～6 000 r/min。

表2 BV75立式加工中心機(jī)床性能參數(shù)

根據(jù)不同纖維方向，分3個(gè)方向進(jìn)行單因素磨削實(shí)驗(yàn)。圖1為磨削實(shí)驗(yàn)示意圖，其中：圖1(a)為橫向纖維磨削示意圖，其砂輪進(jìn)給方向和碳纖維層夾角為0°，砂輪端面垂直于碳纖維層和SiC基體層；圖1(b)為縱向纖維磨削示意圖，其砂輪進(jìn)給方向和碳纖維層夾角為90°，砂輪端面垂直于碳纖維層和SiC基體層；圖1(c)為正常方向纖維磨削示意圖，其砂輪進(jìn)給方向和砂輪端面均平行于于碳纖維層和SiC基體層。

2 結(jié)果與分析

2.1 磨削力

圖2為3個(gè)纖維方向上磨削力隨磨削深度、進(jìn)給速度和砂輪轉(zhuǎn)速的變化曲線?？梢钥闯觯?/p>

1) 3個(gè)纖維方向上的磨削力均較小，其最大值不超過25 N。這是因?yàn)镃/SiC復(fù)合材料在制備過程中存在一定的孔隙率，導(dǎo)致材料組織的致密性較差[5]。

2) 在3個(gè)纖維方向上，磨削力均隨磨削深度和進(jìn)給速度的增大而增大，而隨砂輪轉(zhuǎn)速的增大而減小。這是因?yàn)椋?1)磨削深度的增大使得磨粒嵌入材料的深度增大，也使得磨粒切削刃切割深度增大，進(jìn)而導(dǎo)致磨粒切削刃與材料接觸面積增大，單顆磨粒的最大未變形切削厚度增大，從而使磨削力增大；(2)進(jìn)給速度的增大使得單顆磨粒的最大未變形切削厚度增加，從而使磨削力增大；(3)砂輪轉(zhuǎn)速的增大，使得單位時(shí)間內(nèi)磨粒磨削材料的次數(shù)增多，材料去除更充分，從而使磨削力減小。

對(duì)比圖2中3個(gè)不同纖維方向上的磨削力變化曲線，可以發(fā)現(xiàn)：正常纖維方向的磨削力最大，橫向纖維方向的次之，縱向纖維方向的最小。橫向纖維方向的磨削力大于縱向纖維是因?yàn)椋涸谀ハ鳈M向纖維方向材料過程中，磨粒要同時(shí)磨削碳纖維層和SiC基體層，而磨削縱向纖維方向材料時(shí)，SiC基體和碳纖維層交替出現(xiàn)，磨粒依次磨削2種單一相材料。

2.2 表面粗糙度

由于C/SiC復(fù)合材料磨削面存在碳纖維層和SiC基體層，且磨削過程中會(huì)暴露材料本身制備過程中產(chǎn)生的孔隙缺陷，因此測(cè)定磨削面的粗糙度較難。實(shí)驗(yàn)選取磨削面不同區(qū)域的5個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行粗糙度測(cè)定，取其平均值作為磨削面的粗糙度。

圖3為3個(gè)纖維方向上磨削表面粗糙度隨磨削深度、進(jìn)給速度和砂輪轉(zhuǎn)速的變化曲線。圖4為采用影像測(cè)量?jī)x觀測(cè)的放大180倍的磨削表面形貌。由圖3可以看出：

1) C/SiC復(fù)合材料磨削表面粗糙度較大，為4～7 μm。這是因?yàn)椋涸谀ハ骷庸み^程中，碳纖維會(huì)發(fā)生拔出、斷裂等損傷(如圖4所示)，這會(huì)增加磨削面的起伏變化，同時(shí)磨削加工導(dǎo)致材料制備過程中產(chǎn)生的孔隙缺陷暴露，進(jìn)一步使得表面粗糙度[5]增大。

2)磨削表面粗糙度隨磨削深度和進(jìn)給速度的增大而增大，隨砂輪轉(zhuǎn)速的增大而減小。這是因?yàn)椋?1)磨削深度的增大使得磨粒嵌入材料的深度增大，進(jìn)而使磨粒切割磨削材料的去除量增大，導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)磨削面因材料去除不充分而產(chǎn)生的材料殘留量增大，從而使表面起伏增大，即表面粗糙度增大；(2)進(jìn)給速度的增大可使單位長(zhǎng)度的磨削時(shí)間縮短，這會(huì)導(dǎo)致材料去除不夠充分、磨削表面材料殘留量增大，致使表面粗糙度增大；(3)砂輪轉(zhuǎn)速的增大使得單位時(shí)間內(nèi)同一磨削面的磨粒磨削次數(shù)增多，材料去除更加充分，磨削作用較好，致使表面粗糙度減小。

3) 縱向纖維方向的磨削表面粗糙度最大，為5.5～7.0 μm；正常纖維方向的磨削表面粗糙度最小，為4.0～5.0 μm。分析其原因?yàn)椋簷M向纖維和縱向纖維表面在物理性能上表現(xiàn)為各向異性，正常方向纖維表面表現(xiàn)為各向同性，磨削加工時(shí)正常纖維方向磨削表面材料去除更為均勻，表面起伏較小。

對(duì)比圖4(a)、(b)可以看出：與橫向纖維方向磨削纖維層損傷程度相比，縱向纖維方向的磨削纖維層斷裂程度較大，且出現(xiàn)整塊碳纖維缺失，這是造成其磨削表面粗糙度最大的主要原因。由圖4(c)可以看出：正常纖維方向的纖維隨機(jī)分布在磨削面中，磨削面各處差異最小，即表面粗糙度最小。

3 磨削損傷與機(jī)理

3.1 磨削損傷分析

圖5為磨削面微觀形貌SEM圖。由圖5(a)中的纖維斷裂微觀形貌可以看出：纖維發(fā)生了階梯狀脆性斷裂[9]，且斷口形貌不規(guī)則，說明部分纖維之間分層，產(chǎn)生孔隙，纖維表面存在SiC磨屑。

由圖5(b)中碳纖維與SiC基體的界面層微觀形貌可以看出：在磨粒磨削作用下，碳纖維層與SiC基體層連接界的面層被破壞，界面層因纖維缺失而出現(xiàn)縫隙，造成界面層失粘損傷。由圖5(c)中SiC基體裂紋微觀形貌可以看出：SiC基體在磨削過程中以脆性斷裂方式去除，裂紋擴(kuò)展造成其塊狀剝落，其損傷形式主要為微裂紋損傷。

3.2 磨削機(jī)理分析

圖6為單顆磨粒磨削斷裂模型?？梢钥闯觯?)當(dāng)高速運(yùn)動(dòng)磨粒對(duì)材料表面進(jìn)行沖擊和磨削作用時(shí)，材料首先發(fā)生塑性變形，此時(shí)材料主要受剪切應(yīng)力和拉應(yīng)力作用；2)隨著磨粒的持續(xù)磨削，當(dāng)應(yīng)力超過C/SiC復(fù)合材料本身的抗拉強(qiáng)度時(shí)，材料表面出現(xiàn)縱向的徑向裂紋[10]和橫向的側(cè)向裂紋[11]；3)隨著磨削過程的進(jìn)行，裂紋不斷擴(kuò)展，材料最終以脆性斷裂和塊狀剝落的形式去除。

C/SiC復(fù)合材料中的碳纖維層使得材料的韌性得到較大提升，當(dāng)SiC基體材料中裂紋擴(kuò)展到碳纖維層時(shí)，由于碳纖維強(qiáng)度大于SiC基體強(qiáng)度，裂紋若發(fā)生進(jìn)一步擴(kuò)展，則需要增大外加應(yīng)力或延長(zhǎng)外加應(yīng)力作用時(shí)間。而持續(xù)磨削作用為裂紋的擴(kuò)展提供了外加應(yīng)力，導(dǎo)致裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，材料界面層被破壞，碳纖維層受到磨粒沖擊、切割，纖維發(fā)生拔出、斷裂損傷(如圖6(a)所示)，其斷裂韌性為[12]

KIC=KICO+(ΔWfp+ΔWff)，

(1)

式中：KIC為C/SiC復(fù)合材料斷裂韌性；KICO為SiC基體材料斷裂韌性；ΔWfp為纖維拔出功；ΔWff為纖維斷裂功。

若外加應(yīng)力強(qiáng)度達(dá)不到破壞碳纖維所需強(qiáng)度或外加應(yīng)力作用時(shí)間較短，則裂紋擴(kuò)展方向會(huì)發(fā)生改變，其只會(huì)在SiC基體中進(jìn)行擴(kuò)展，如圖6(b)所示。由此可以推測(cè)：C/SiC復(fù)合材料中碳纖維層起到減弱微裂紋擴(kuò)展程度和改變微裂紋擴(kuò)展方向的作用，使微裂紋擴(kuò)展只在SiC基體材料中發(fā)生，當(dāng)因外加應(yīng)力較大或作用時(shí)間較長(zhǎng)而引起纖維拔出時(shí)，纖維的破壞吸收了外加載荷，降低了裂紋擴(kuò)展的速度和程度，減輕了下層基體材料損傷。

4 結(jié)論

1) C/SiC復(fù)合材料在不同纖維方向上磨削力和磨削表面粗糙度不同，這主要是因?yàn)椴煌w維方向的磨削性能不同。下一步，可進(jìn)一步探討磨削進(jìn)給方向與纖維層夾角對(duì)磨削特征的影響規(guī)律。

2) C/SiC復(fù)合材料磨削加工材料去除形式為脆性斷裂和塊狀剝落去除；損傷形式主要有碳纖維斷裂、分層，SiC基體微裂紋，界面層失粘和磨削纖維方向和磨削用量變化對(duì)損傷形式?jīng)]有明顯影響。

3) C/SiC復(fù)合材料纖維層的存在阻止了裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，碳纖維的拔出、斷裂過程吸收了外加載荷，減小了外加應(yīng)力對(duì)下層SiC基體材料的損傷。下一步研究應(yīng)著重揭示碳纖維增韌機(jī)理，用數(shù)學(xué)模型解釋其增韌機(jī)制。