劉 壯，郭 超，謝天海，高長(zhǎng)水

（ 南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016 ）

碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（SiCp/Al）具有高比強(qiáng)度、高比剛度、低熱膨脹系數(shù)、較好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性，是航空航天、光學(xué)精密儀器和電子封裝等領(lǐng)域的理想材料[1-2]。 其中，較低 SiC 體積分?jǐn)?shù)（15%～20%）的SiCp/Al 復(fù)合材料一般作為光學(xué)、儀表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件使用[3]。

由于SiCp/Al 復(fù)合材料中存在高強(qiáng)度和高硬度的SiC 陶瓷顆粒，其二次加工變得非常困難。 目前，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)SiCp/Al 復(fù)合材料的加工技術(shù)進(jìn)行了研究，主要涉及切削加工、電火花加工和激光加工等。 韓榮第等[4]對(duì)SiCp/Al 復(fù)合材料進(jìn)行了外圓切削，發(fā)現(xiàn)刀具磨損主要由SiC 顆粒造成，且增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)越高， 切削溫度越高， 刀具磨損越嚴(yán)重。Dhar 等[5]研究了電火花加工參數(shù)對(duì)SiCp/Al 復(fù)合材料加工質(zhì)量的影響，建立了放電電流、增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)等參數(shù)與表面質(zhì)量、電極損耗之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)越高，電極損耗越嚴(yán)重，加工表面粗糙度越大。Frank[6]對(duì)SiCp/Al 復(fù)合材料的電火花加工、激光加工和水射流加工方法進(jìn)行了對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)激光加工相比于電火花加工具有更高的加工效率，但熱影響區(qū)更大且加工表面存在明顯裂紋，而水射流加工表面沒(méi)有熱損傷但加工表面質(zhì)量較差。 總之，各種工藝方法在加工SiCp/Al 復(fù)合材料時(shí)的優(yōu)點(diǎn)與局限性并存。

電化學(xué)射流加工（ECJM）是電解加工的一個(gè)分支，其原理是將具有一定壓力的電解液通過(guò)金屬?lài)娮焐湎蚬ぜ砻?，使工件表面被電解液噴射的部分產(chǎn)生陽(yáng)極溶解而被去除[7]，但國(guó)內(nèi)外在SiCp/Al 復(fù)合材料的電化學(xué)射流加工方面研究甚少。 與其他加工方法相比，電化學(xué)射流加工沒(méi)有工具損耗，加工工件表面沒(méi)有重鑄層和微裂紋，可實(shí)現(xiàn)微小幾何結(jié)構(gòu)及復(fù)雜三維形貌加工，其加工方法見(jiàn)圖1[8]。 本文采用電化學(xué)射流方法對(duì)SiC 體積分?jǐn)?shù)20%的SiCp/Al復(fù)合材料開(kāi)展加工試驗(yàn)研究，以期探索該復(fù)合材料的加工去除機(jī)理及加工參數(shù)對(duì)加工形貌的影響。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試樣材料

試驗(yàn)采用SiC 體積分?jǐn)?shù)為20%的SiCp/Al 復(fù)合材料，采用粉末冶金工藝，通過(guò)熱等靜壓技術(shù)使粉末燒結(jié)成型，密度2.8 g/cm3、彈性模量103 GPa，SiC增強(qiáng)相顆粒尺寸為30～50 μm、試件大小為40 mm×20 mm×5 mm。 圖 2 是測(cè)得 SiCp/Al 復(fù)合材料的表面形貌與表面粗糙度，表面粗糙度值為Ra1.34 μm。

1.2 試驗(yàn)條件

采用單因素試驗(yàn)方法，研究加工電壓、加工時(shí)間對(duì)小孔加工三維形貌和表面質(zhì)量的影響，具體工藝實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。 電解液采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的NaNO3溶液，射流噴嘴直徑為300 μm，加工間距設(shè)定為2 mm；考慮到高壓力射流有利于SiC 顆粒的沖刷脫落，射流壓力設(shè)定為4 MPa，高于一般的電化學(xué)射流；加工電壓采用直流120、160 V，加工時(shí)間分別為 10、25、40 s。 每個(gè)加工試驗(yàn)重復(fù) 3 次，加工孔型的直徑、孔深、材料去除量取3 次結(jié)果的平均值。

表1 試驗(yàn)條件

圖3 是加工采用的試驗(yàn)裝置，主要部件包括工作液槽、壓力泵、脈動(dòng)阻尼器、噴嘴、數(shù)控移動(dòng)平臺(tái)、直流電源等。 配制好的電解液存放在工作液槽中，經(jīng)隔膜泵加壓后通過(guò)噴嘴射向工件表面；直流電源陽(yáng)極接工件、陰極接噴嘴，通過(guò)電化學(xué)陽(yáng)極溶解蝕除材料，直流電源可輸出0～200 V 穩(wěn)定電壓；移動(dòng)平臺(tái)是由兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)的十字滑臺(tái)，滑臺(tái)行程為200 mm，重復(fù)定位精度為0.02 mm。

1.3 測(cè)試設(shè)備及方法

采用DSX510 型激光共聚焦顯微鏡對(duì)加工結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)， 通過(guò)逐行掃描方式和3D 成像獲得所測(cè)表面的三維形貌，進(jìn)而得到樣品的幾何特征、表面粗糙度等參數(shù)。 圖4 是加工區(qū)域的入口直徑、孔深及表面粗糙度檢測(cè)方法，對(duì)每個(gè)孔取X 方向直徑Dx及Y 方向直徑Dx的平均值作為入口直徑，入口表面至孔底部的垂直距離作為孔深H；表面粗糙度通過(guò)輪廓算術(shù)平均偏差Ra 評(píng)價(jià)， 評(píng)價(jià)長(zhǎng)度為800 μm，位置選取在孔底部中央位置，取樣長(zhǎng)度為250 μm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 加工形貌分析

圖5、圖6 是加工電壓為 120 V 時(shí)加工25 s 和40 s 后的三維形貌和表面粗糙度輪廓。 對(duì)比可知，加工40 s 獲得的孔深及孔徑均比加工25 s 大，但加工25 s 所得孔型邊界更加清晰，這兩例加工所獲得的表面粗糙度值分別為Ra4.18 μm 和Ra4.17 μm。

圖 7、 圖 8 是加工電壓 120 V 和 160 V 時(shí)典型加工結(jié)果的橫截面輪廓與加工平均直徑、孔深。 可見(jiàn)，隨著加工進(jìn)行，加工區(qū)域的入口直徑和孔深均明顯增大，且孔深的增加速度遠(yuǎn)大于入口直徑的增加速度，這表明隨著加工的進(jìn)行，電化學(xué)射流在孔底部的陽(yáng)極溶解速率要高于側(cè)壁的陽(yáng)極溶解速率，這和 Kozak 等[9]的研究結(jié)果相吻合。 Kawanaka 等[10]對(duì)電化學(xué)射流加工單一金屬材料中工件表面電場(chǎng)進(jìn)行了理論分析和數(shù)值計(jì)算，發(fā)現(xiàn)射流中心處電流密度最大，距離射流中心越遠(yuǎn)則電流密度越小（圖9），這是由于電解加工過(guò)程中陽(yáng)極溶解速度與電流密度成正比， 射流中心部位材料去除速率更高，進(jìn)而導(dǎo)致孔底部的陽(yáng)極溶解速率高于側(cè)壁。

對(duì)于SiCp/Al 復(fù)合材料的加工，其加工表面電流密度分布與單一金屬材料的加工類(lèi)似。 電流密度較大處，鋁基體的陽(yáng)極溶解速度較快，SiC 顆粒與鋁基體的結(jié)合界面縮小速度也較快，最終導(dǎo)致射流中心位置的SiC 顆粒的脫落速度快于側(cè)壁位置。 而平均入口直徑與孔深隨著加工電壓的增加而增大，這是由于加工電壓增加導(dǎo)致噴嘴與材料表面電場(chǎng)強(qiáng)度增大，各處電流密度隨之增加，使陽(yáng)極溶解速率加快，所得到的凹坑入口直徑和孔深都有所增大。

圖10 是不同電壓下加工表面粗糙度檢測(cè)結(jié)果，可見(jiàn)所有加工孔型的表面粗糙度值均介于Ra3～5 μm 之間，比材料的初始表面粗糙度（Ra1.34 μm）略高。 國(guó)內(nèi)外研究人員通過(guò)電解射流加工單一金屬材料獲得較好表面質(zhì)量，Natsu 等[11]通過(guò)NaNO3電解射流加工304 不銹鋼獲得的表面粗糙度值達(dá)到Ra0.5～1 μm；Sen 等[12]對(duì)鎳基合金進(jìn)行了電化學(xué)射流小孔加工，通過(guò)遺傳算法優(yōu)化工藝參數(shù)獲得的加工表面粗糙度值為Ra0.89 μm。 而本文所得的加工結(jié)果相比于單一金屬材料的加工表面粗糙度有較大差別，這主要是因?yàn)樵陔娀瘜W(xué)射流加工SiCp/Al 復(fù)合材料過(guò)程中， 鋁基體由于電化學(xué)陽(yáng)極溶解而去除，不導(dǎo)電的碳化硅顆粒則凸于工件表面，導(dǎo)致表面粗糙度值增加；同時(shí)，SiC 顆粒的脫落在加工表面形成微凹坑， 進(jìn)一步造成表面粗糙度值的增加，具體示意見(jiàn)圖11。 由此總結(jié)，加工表面粗糙度受復(fù)合材料中SiC 顆粒數(shù)量與尺度的影響較大，SiC 顆粒及其脫落形成的凹坑會(huì)導(dǎo)致表面粗糙度值的增加。

2.2 材料去除機(jī)理探討

在電化學(xué)射流加工中，SiCp/Al 復(fù)合材料的去除機(jī)理比單一金屬材料更為復(fù)雜。 鋁基體較易通過(guò)陽(yáng)極溶解的方式去除， 不導(dǎo)電的SiC 顆粒在電解液中無(wú)法溶解， 但鋁基體的溶解會(huì)導(dǎo)致SiC 顆粒與鋁基體之間的結(jié)合界面縮小， 同時(shí)凸于材料表面的SiC顆粒會(huì)受到高壓射流的持續(xù)沖擊作用，這種射流沖擊能對(duì)結(jié)合界面產(chǎn)生一定程度的破壞。 當(dāng)結(jié)合界面縮小到一定程度時(shí)， 射流的持續(xù)沖擊可將SiC 顆粒剝離材料表面，具體示意見(jiàn)圖12。

上述材料去除機(jī)理可從加工電流中得到驗(yàn)證。圖13 是加工電壓120 V 下檢測(cè)到的加工電流，可見(jiàn)在加工過(guò)程中加工電流總體表現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，這是由于隨著電化學(xué)射流加工的進(jìn)行，加工區(qū)域直徑和孔深增加，導(dǎo)致加工區(qū)域與射流的接觸面積增大；電流是電流密度在投影面積上的積分，當(dāng)電流密度保持不變時(shí)，射流中的總電流會(huì)隨著加工而增大。 觀察圖13 還發(fā)現(xiàn)，加工電流呈現(xiàn)上下波動(dòng)的現(xiàn)象， 這主要是由于SiC 增強(qiáng)相與鋁基體的位置關(guān)系改變導(dǎo)致，鋁基體陽(yáng)極溶解使得碳化硅顆粒凸于工件表面，當(dāng)鋁基體進(jìn)一步溶解后，碳化硅顆粒在射流的沖擊作用下從鋁基體中剝落，使得參與鋁基體陽(yáng)極溶解的表面面積突然增大， 導(dǎo)致電流突然上升；然后，隨著新的SiC 顆粒凸于加工表面，又導(dǎo)致鋁基體陽(yáng)極溶解表面減少，出現(xiàn)了加工電流短時(shí)間下降的趨勢(shì)。

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）電化學(xué)射流加工方法具有加工低體積分?jǐn)?shù)SiC 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的能力，SiCp/Al 復(fù)合材料的電化學(xué)射流加工去除機(jī)理為：SiC 顆粒周?chē)匿X基體率先通過(guò)陽(yáng)極溶解的方式得以去除， 造成SiC 顆粒與鋁基體之間的結(jié)合界面縮小， 部分SiC顆粒凸于加工表面， 并承受著高壓射流的連續(xù)沖擊； 射流的連續(xù)沖擊會(huì)導(dǎo)致結(jié)合界面逐步被破壞，當(dāng)結(jié)合界面縮小到一定程度會(huì)被完全破壞，SiC 顆粒被射流沖刷而脫落。

（2）SiCp/Al 復(fù)合材料的加工表面粗糙度會(huì)受到SiC 增強(qiáng)相尺度及體積分?jǐn)?shù)的影響，SiC 顆粒粒徑越大，表面粗糙度值越高，本文條件下得到的表面粗糙度值為Ra3～5 μm； 材料去除效率與加工電流密度的大小呈正比例關(guān)系，這與電化學(xué)射流加工單一金屬材料類(lèi)似。