孟凡卓，劉 謙，田欣利，唐修檢，王 龍，吳樂樂

(1.陸軍裝甲兵學院 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 嵊州 310000)

0 引言

C/SiC復合材料克服了碳化硅陶瓷材料脆性較高的缺點，同時兼具碳化硅陶瓷良好的物理化學性能，具有耐高溫、耐腐蝕、低密度、抗氧化等優(yōu)良性能，在航空航天、機械制造、汽車、軍工等領域有著廣泛的應用[1-2]。切削、磨削是加工C/SiC復合材料的常規(guī)方法，傳統(tǒng)機械切削加工能夠獲得較好的加工精度和加工質量，但刀具磨損較大，加工效率較低[3-4]。

磨料水射流技術作為一種冷態(tài)特種加工方法，在切割加工領域有著獨特的優(yōu)勢，具有切割范圍廣、無熱變形、切割效率高、刀具磨損小等特點[5]。王偉[6]進行了磨料水射流切割碳纖維復合材料實驗研究，分析了不同因素對切割深度的影響規(guī)律，建立了磨料水射流切割碳纖維復合材料加工工藝經(jīng)驗模型，但對碳纖維復合材料的切割機理沒有進行深入研究。本文在其研究基礎之上，采用磨料水射流對C/SiC復合材料進行切槽加工實驗研究，探究不同因素對切割深度的影響規(guī)律，分析磨料水射流切割C/SiC復合材料加工損傷和切割機理。

1 實驗

實驗所用C/SiC復合材料為國防科技大學采用氣相滲硅反應燒結工藝(GSI)制備，尺寸為60mm×30mm×15mm，碳纖維束按0°/90°方向疊加成碳纖維層，厚度為0.2～0.4mm，碳化硅基體層厚度為0.8～1mm。其性能參數(shù)如表1所示。實驗機床如圖1所示，機床性能參數(shù)如表2所示，圖2為切割加工實驗示意圖。通過單因素實驗研究不同因素對切割深度的影響規(guī)律；采用影像測量儀對切槽不同位置形貌進行觀測，對比其形貌結構；采用掃描電子顯微鏡對切割面進行顯微觀測，分析其切割損傷形式和切割機理。

表1 C/SiC復合材料性能參數(shù)

表2 磨料水射流機床性能參數(shù)

圖1 磨料水射流機床 圖2 切槽加工示意圖

2 結果與討論

2.1 切割深度

圖3a為靶距L=4mm，進給速度v=400mm/min，改變射流壓力的切割深度曲線。由圖知，射流壓力增大，切割深度增大。當純水射流混入磨料顆粒形成均勻的固液兩相射流，經(jīng)過增壓系統(tǒng)增壓加速后，混合射流動能Ea為[7]：

(1)

其中，k1為流速系數(shù)，ωa為磨料供給量，ρw為純水密度，g為重力加速度，p為系統(tǒng)壓力，Q為噴射流量。

當其它量不變，增大壓力時，混合射流動能增大，射流沖蝕能力增強，切割深度增大。

圖3b為壓力P=160MPa，進給速度v=400mm/min，改變靶距的切割深度曲線。由圖知，靶距增大，切割深度增大。射流在噴射的過程中，會出現(xiàn)射流發(fā)散的現(xiàn)象，混合射流的速度和能量會隨著射流發(fā)散而衰減，但射流發(fā)散同時會使射流有效沖擊面積增大。由射流流體動力學特征知，射流從噴嘴射出，沿著射流方向，分為初始段、過渡段、充分發(fā)展段。其中，射流初始段的速度和動能最大，本實驗中，由于靶距增加幅度不大，靶距變化始終在射流初始段內，故射流能量衰減作用不明顯，隨著射流有效沖擊面積的增大，切割深度增加。由此可以推斷，隨著靶距的增大，切割深度必然存在一個峰值，此后隨著靶距增大，切割深度會逐漸減小。

圖3c為壓力P=160MPa，靶距L=4mm，改變進給速度的切割深度曲線。由圖知，進給速度增大，切割深度減小。進給速度的變化主要影響的是射流沖擊材料某一位置的作用時間[6]，當進給速度增加，混合射流對材料某一位置有效沖蝕時間減少，故切割深度減小。觀察圖3c可以發(fā)現(xiàn)，曲線額斜率逐漸減小，這是因為當進給速度增大到一定值，混合射流從切槽中排出較為徹底，材料去除主要為磨粒的磨削作用，射流沖擊作用減小并維持在一定水平，故切割深度的變化率較平穩(wěn)[6]。

(a)射流壓力對切割深度影響規(guī)律

(b)靶距對切割深度影響規(guī)律

(c)進給速度對切割深度影響規(guī)律圖3 不同因素對切割深度影響規(guī)律

2.2 切槽形貌

圖4為切槽不同位置形貌，圖4a為射流進給方向切槽入口形貌，可以看出，切槽底部寬度較大，形成“袋狀結構”，這是由于射流未能切穿材料，積存的磨料水對切槽底部反復沖蝕造成的。由于磨料水射流加工為柔性加工方式，其在進給方向上由于“射流滯后”現(xiàn)象，導致切槽入口和出口形貌不同，圖4b為射流進給方向切槽出口形貌，對比圖4a可以發(fā)現(xiàn)，在切槽底部，射流出口材料未沖蝕完全，這是因為在射流從材料切出時，當射流前段切出工件，其不再對材料有沖蝕作用，射流有效沖蝕時間減少，故造成出口處材料切割不充分。圖4c為切槽上端形貌，可以看出，切槽入口寬度大于切槽中部寬度，當射流從噴嘴噴出，沖擊材料表面時，在縱向方向上射流能量會逐漸衰減，射流直徑逐漸增大，產(chǎn)生“射流發(fā)散”現(xiàn)象，射流與材料接觸面積達到最大，故入口處切口寬度最大，射流繼續(xù)向下沖蝕去除材料，射流能量減弱，且由于射流邊界與空氣交界處會產(chǎn)生“霧化現(xiàn)象”，使射流能量不均勻，故造成切槽寬度減小，切槽寬度不均勻，槽壁形貌崎嶇。

(a)切割槽入口形貌 (b)切割槽出口形貌

(c)切槽形貌圖4 切槽不同位置形貌

2.3 切割損傷

觀察切割面形貌，可以發(fā)現(xiàn)切割面從上至下分為三個區(qū)，分別為“光滑區(qū)”、“波紋區(qū)”、“破碎區(qū)”，這是因為射流能量衰減和射流發(fā)散造成的。不同區(qū)域的材料去除形式不同，“光滑區(qū)”的形成是磨料顆粒以小角度沖擊材料[8]，其材料去除形式為切割磨損[9]；隨著切割深度的增加，射流能量衰減，射流發(fā)生“偏轉后滯”，磨料可以以大角度沖擊材料，形成“波紋區(qū)”，其材料去除形式為變形磨損；當切割深度繼續(xù)增加，射流能量衰減和射流發(fā)散加劇，造成材料去除不充分，出現(xiàn)切割“犁溝”和凹坑，形成“破碎區(qū)”。

圖5a為放大2500倍的碳纖維層微觀形貌，可以看出，不同方向的纖維被磨料水射流沖蝕切割發(fā)生的損傷形式是不同的。圖左半部分0°纖維在射流沖蝕下沿徑向發(fā)生脆性斷裂，斷口形貌較為平整，說明射流沖蝕的速度較快剪切力較大，碳纖維在很短的時間內被剪斷。圖右半部分90°纖維在射流沖蝕下沿軸向發(fā)生脆性斷裂，斷口形貌不平整，斷口位置不同，外側纖維斷口位置要高于內側纖維斷口位置，這主要是因為射流束能量分布不均勻造成的，外側纖維主要受射流內部沖蝕，射流動能較大，沖蝕能力較強，故斷口位置較高，而內側纖維主要受射流外部沖蝕，動能較低，纖維斷裂所需的沖蝕時間較長，故斷裂位置較低。一部分內側碳纖維由于射流動能不足，未發(fā)生斷裂現(xiàn)象，但在纖維表面出現(xiàn)裂紋，長度達到40μm，裂紋主要是因為射流中高速運動的磨粒對碳纖維滑擦、磨削產(chǎn)生。當不同方向裂紋擴展至相交，則會引起圖中部下側90°方向纖維塊狀剝落。觀察圖中部界面層形貌，可以發(fā)現(xiàn)，界面層存在黑色縫隙，這是界面層脫粘現(xiàn)象，是因為在射流的沖蝕作用下，碳化硅基體和碳纖維、不同方向碳纖維之間的作用力失效，出現(xiàn)豁口，產(chǎn)生界面層脫粘損傷。

圖5b為放大10000倍的碳化硅基體微觀形貌，可以看出，在混合射流的沖蝕作用下，碳化硅基體材料去除形式為脆性去除。材料損傷形式表現(xiàn)為微裂紋損傷，長度達到10μm，裂紋的擴展會引起基體材料的塊狀剝落，在裂紋兩側可以觀察到由于材料塊狀剝落形成的較為平整的區(qū)域。

(a)纖維斷裂 (b)碳化硅基體裂紋圖5 切割面微觀形貌

2.4 切割機理

(1)“二次沖蝕”作用

實驗結果發(fā)現(xiàn)，切槽深度是不均勻的，射流入口深度比出口深度大0.2～1.5mm。分析其原因，射流在進行切割加工時，射流的運動分為沿進給方向的沖蝕運動和垂直材料表面的沖蝕運動。由于射流本身存在“射流發(fā)散”現(xiàn)象，既射流沖蝕材料表面的工作段寬度大于噴嘴出口處寬度，且由于射流邊緣的“霧化現(xiàn)象”，射流邊緣能量要小于中心處能量。隨著射流切割沖蝕作用的進行，去除材料要消耗射流的大部分能量，在射流進給方向上，由于射流能量的衰弱，會出現(xiàn)“射流后滯”現(xiàn)象，既射流末端會向后發(fā)生偏轉，射流在垂直方向與材料接觸面存在一定弧度，如圖6AB段所示，射流沖蝕面為一傾斜面。當進給速度較大，射流不能將材料完全切穿時，在射流底部，射流會向后流動，對切槽底部進行二次沖蝕，形成“二次沖蝕”作用，如圖6BC段所示，造成沿射流進給相反方向的切槽深度增大，最終表現(xiàn)為射流切槽的出口深度小于入口深度。

圖6 沖蝕過程示意圖

(2)沖蝕斷裂模型

磨料水射流在切割加工過程中，起主要切割作用的是高速運動的磨粒，其對材料主要起沖擊磨削作用，單顆磨粒沖蝕斷裂模型如圖7所示。當射流沖擊材料表面時，由于磨粒對材料表面的沖擊和磨削作用，材料首先發(fā)生塑性變形，如圖7黑色區(qū)域，此時材料主要受剪切應力和拉應力作用；當拉應力超過材料本身抗拉強度時，材料產(chǎn)生垂直于表面的徑向裂紋[10]和橫向的側向裂紋[11]。裂紋中充滿水，由于“水楔作用”，裂紋會不斷擴展，材料以脆性斷裂和塊狀剝落的形式去除。

對于C/SiC復合材料，由于在碳化硅基體中加入了碳纖維，材料的韌性得到較大提升，當基體材料中裂紋擴展到碳纖維時，由于碳纖維強度大于碳化硅基體強度，裂紋若發(fā)生進一步擴展，則需要提高外加應力或延長外加應力作用時間，而磨料水射流的不斷沖蝕作用為裂紋的擴展提供了持續(xù)外加應力，裂紋進一步擴展，材料界面層被破壞，碳纖維被沖蝕切割，產(chǎn)生纖維拔出損傷，當纖維拔出到一定長度，發(fā)生纖維斷裂，如圖7a所示，其斷裂韌性為[12]：

KIC=KICO+(ΔWfp+ΔWff)

(2)

其中，KIC為復合材料斷裂韌性，KICO為基體材料斷裂韌性，ΔWfp為纖維拔出功，ΔWff為纖維斷裂功。

若外加應力強度不能達到破壞碳纖維所需強度或外加應力作用時間較短，則裂紋擴展方向會發(fā)生改變，其只會在碳化硅基體中進行擴展，如圖7b所示。由此可以推測C/SiC復合材料增韌機制為碳纖維的存在，改變了裂紋擴展的方向，使裂紋擴展只在基體材料中發(fā)生，當外加應力較大或作用時間較長引起纖維拔出時，纖維的破壞吸收了外加載荷，降低了裂紋擴展的速度和程度，減小了材料損傷。

(a)纖維斷裂 (b)裂紋偏轉圖7 單顆磨粒沖蝕模型

3 結論

實驗采用磨料水射流對C/SiC復合材料進行了切割加工，主要對切割深度、切槽形貌、切割損傷和切割機理進行了分析。由于磨料水射流在切割方向的“滯后現(xiàn)象”，導致切槽入口和出口形貌存在差異，切割內壁質量形成“波紋區(qū)”，這對切割質量和切割精度造成很大影響。筆者在前文實驗基礎上，進行雙向切割可行性實驗，即對同一切槽進行反向切割，結果表明可顯著改善切槽入口、出口形貌差異，得到深度均勻、內壁質量較好的切槽。進一步研究雙向切割工藝，提高切割質量和切割精度，總結歸納切割參數(shù)對切槽深度的影響規(guī)律是下一步工作的重點。