殷景飛 徐九華 丁文鋒 蘇宏華 曹 洋 何靜遠(yuǎn)

南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京，210016

0 引言

碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“SiCf/SiC”)的耐高溫性能極其出色，耐受溫度比鎳基高溫合金高200 ℃[1]，而密度僅為高溫合金密度的30%左右，在新一代高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端部件上具有廣闊的應(yīng)用前景[2]。為了滿足零部件對(duì)尺寸精度和表面完整性的要求，不可避免地需要對(duì)SiCf/SiC進(jìn)行加工。然而，由于該材料屬于典型的高硬脆難加工材料，加工中容易引入材料碎裂等損傷，會(huì)降低最終零件的強(qiáng)度和性能，從而制約了其廣泛應(yīng)用，因此有必要研究并控制SiCf/SiC加工過(guò)程中的損傷。

SiCf/SiC硬度大，通常采用超硬磨料磨削加工。丁凱等[3]指出采用超聲輔助磨削陶瓷基復(fù)合材料可以減小磨削力、減少砂輪磨損量，進(jìn)而有效抑制加工損傷?？等士频萚4]采用了超聲輔助磨削SiCf/SiC，研究發(fā)現(xiàn)超聲作用能促進(jìn)纖維斷裂，使得纖維以短纖維形式被去除，在一定范圍內(nèi)可以改善加工質(zhì)量，但超聲振幅過(guò)大也會(huì)加劇損傷，導(dǎo)致加工表面質(zhì)量降低。王濤等[5]研究了C/SiC中纖維方向?qū)δハ髁Φ挠绊懸?guī)律，指出沿纖維的法向、縱向、橫向進(jìn)行磨削時(shí)，磨削力依次減小。ZHANG等[6]研究了沿不同纖維方向上的材料去除機(jī)理和損傷形式，并建立了不同纖維方向上的磨削力模型，研究結(jié)果表明，磨削中磨削力和材料損傷與纖維方向直接相關(guān)，但該研究中并未完全揭示出損傷機(jī)理。CHEN等[7]開(kāi)展了沿C/SiC不同纖維方向上的納米劃擦試驗(yàn)，揭示了纖維從微觀斷裂到宏觀斷裂轉(zhuǎn)變的材料去除和損傷機(jī)理，研究發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)中劃擦速度為30 μm/s，遠(yuǎn)小于實(shí)際磨削加工速度。YIN等[8-9]驗(yàn)證了SiCf/SiC材料去除機(jī)理與磨削速度密切相關(guān)，并且硬脆材料的加工損傷也存在應(yīng)變率效應(yīng)，因此，低速劃擦試驗(yàn)并不能如實(shí)反映出SiCf/SiC在實(shí)際加工中的損傷規(guī)律。

周雯雯等[10]采用不同形狀的單顆磨粒以20 m/s的速度磨削SiCf/SiC表面，揭示了磨粒形狀對(duì)材料去除機(jī)理和損傷形式的影響規(guī)律。當(dāng)沿著纖維走向磨削時(shí)，磨削區(qū)域內(nèi)纖維斷裂和拔出損傷減少。陶瓷基復(fù)合材料的加工損傷不僅僅為加工表面的損傷，其加工邊沿也存在損傷。樹(shù)脂基復(fù)合材料加工邊沿以分層為主，如碳纖維復(fù)合材料(carbon fiber reinforced polymer，CFRP)鉆削出口毛刺[11]，然而陶瓷基復(fù)合材料的加工損傷主要以崩碎為主[12]。對(duì)于硬脆材料加工，崩碎是很常見(jiàn)的現(xiàn)象[13-16]。側(cè)邊崩碎是材料去除機(jī)理和加工表面創(chuàng)成機(jī)制中的重要研究?jī)?nèi)容。實(shí)際磨削中，磨削區(qū)域內(nèi)多顆磨粒同時(shí)參與磨削，各磨粒應(yīng)力場(chǎng)可能會(huì)發(fā)生干涉，進(jìn)而影響損傷的形成與分布[17-19]。SiCf/SiC磨削中發(fā)生側(cè)邊崩碎將改變磨削區(qū)域周?chē)牧系膽?yīng)力和損傷分布，從而影響材料去除和損傷機(jī)理，因此，SiCf/SiC磨削中側(cè)邊崩碎不可忽視。

針對(duì)硬脆材料的加工存在脆性去除和延性去除兩種模式。采用延性去除模式可以盡可能地減小材料的崩碎程度。然而，SiCf/SiC的延性磨削仍停留在實(shí)驗(yàn)研究階段，實(shí)際磨削時(shí)，材料仍以脆性去除為主。迄今為止，有關(guān)SiCf/SiC磨削中側(cè)邊崩碎方面的研究報(bào)道較少，側(cè)邊崩碎特性尚未完全揭示。

為此，本文采用單顆磨粒磨削SiCf/SiC，研究了脆性去除模式下SiCf/SiC磨削中側(cè)邊崩碎的分布規(guī)律。本文研究工作豐富并完善了SiCf/SiC磨削過(guò)程中材料去除和損傷機(jī)理，可為開(kāi)發(fā)高效磨削工具、控制SiCf/SiC實(shí)際磨削過(guò)程中損傷和提高加工表面質(zhì)量提供一定的參考。

1 側(cè)邊崩碎

陶瓷材料的典型機(jī)械加工亞表面損傷包括中位裂紋和側(cè)位裂紋，其中中位裂紋沿深度方向擴(kuò)展，而側(cè)位裂紋平行于加工表面，向磨削溝槽兩側(cè)擴(kuò)展，并且裂紋尖端逐漸向工件上表面擴(kuò)展。當(dāng)側(cè)位裂紋尖端擴(kuò)展至上表面時(shí)則會(huì)引起溝槽側(cè)邊大塊材料整體脫落，形成側(cè)邊崩碎，如圖1所示。由此可知，側(cè)邊崩碎可以反映加工過(guò)程中材料亞表面?zhèn)任涣鸭y擴(kuò)展情況，一定程度上可以作為磨削質(zhì)量的評(píng)價(jià)依據(jù)。

圖1 側(cè)邊崩碎示意圖

亞表面裂紋降低了材料強(qiáng)度，改變了材料微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而會(huì)影響材料加工過(guò)程中的應(yīng)力分布和損傷擴(kuò)展。實(shí)際磨削為多磨粒復(fù)合磨削過(guò)程，相鄰磨粒磨削引入的應(yīng)力場(chǎng)干涉情況和前后磨粒重復(fù)磨削造成的損傷擴(kuò)展情況復(fù)雜，磨粒尺寸和間距分布隨機(jī)，難以揭示磨削過(guò)程中磨粒造成的損傷擴(kuò)展及分布規(guī)律。通過(guò)單顆磨粒磨削，排除了多顆磨粒之間的相互影響，可以清楚地揭示磨粒磨削材料時(shí)由側(cè)位裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致的側(cè)邊崩碎規(guī)律，為揭示實(shí)際磨削時(shí)材料去除機(jī)理和損傷形成機(jī)理奠定基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)與方法

本文采用的工件材料為SiCf/SiC，纖維編織方式為平面編織，如圖2所示。材料制備工藝為聚合物浸漬裂解(polymer infiltration and pyrolysis，PIP)工藝[20]，材料屬性詳見(jiàn)表1。工件材料首先被鋸切成30 mm×30 mm×4 mm尺寸。磨削試驗(yàn)前，工件上表面經(jīng)過(guò)充分研磨拋光，以盡量減小表面波紋起伏高度。研磨拋光工藝描述如下：首先采用10 N壓力和40 μm尺寸的磨粒研磨2 min，然后采用5 N壓力和15 μm尺寸的磨粒研磨5 min，最后采用含有1 μm尺寸磨粒的拋光液進(jìn)行拋光，拋光壓力為10 N，拋光時(shí)長(zhǎng)為10 min。

表1 SiCf/SiC的材料屬性

(a) 纖維編織方式示意圖

試驗(yàn)裝置安裝在超高速磨床(PROFIMAT MT 408，BLOHM，德國(guó))上，如圖3所示，SiCf/SiC工件通過(guò)虎鉗固定在砂輪下方，如圖3a所示。單顆金剛石通過(guò)釬焊焊接到自制基座上，然后安裝到基體上，金剛石磨粒形狀和朝向如圖3b所示，磨削中以(111)面作為前刀面，(111)面與(001)面相交的棱為主磨削刃。磨削中采用逆磨，砂輪旋轉(zhuǎn)方向和工件進(jìn)給方向已在圖3a中標(biāo)出。根據(jù)

(a) 單顆磨削試驗(yàn)平臺(tái)

磨削原理[21]，試驗(yàn)中通過(guò)設(shè)置不同的磨削參數(shù)來(lái)改變磨粒的最大未變形切厚agmax，其計(jì)算式為

(1)

式中，λ為相鄰兩個(gè)磨刃之間的間距；ds為磨粒旋轉(zhuǎn)直徑；vw為進(jìn)給速度；vs為磨削速度；ac為磨削深度。

在本試驗(yàn)中，λ=πds，ds= 400 mm。硬脆材料加工損傷主要取決于磨粒的最大未變形切厚。磨削SiC陶瓷材料脆塑轉(zhuǎn)變的臨界最大未變形切厚通常約為0.2 μm[22-23]。陶瓷復(fù)合材料磨削時(shí)使用的最大未變形切厚范圍很寬，從亞微米到幾微米不等[24]。本文研究了材料在脆性去除時(shí)引發(fā)的側(cè)邊崩碎規(guī)律，試驗(yàn)設(shè)計(jì)的磨削參數(shù)詳見(jiàn)表2。其中，纖維角度為0°表示磨削方向與纖維走向相同，纖維角度為90°表示磨削方向與纖維走向垂直，其余角度依此類(lèi)推。

表2 試驗(yàn)中磨削參數(shù)

試驗(yàn)中通過(guò)掃描電鏡(EM-30P1US，COXEM，韓國(guó))觀測(cè)磨削溝槽形貌及側(cè)邊崩碎分布。本文研究了磨削SiC基體以及沿著SiC纖維束走向磨削和垂直于纖維走向磨削時(shí)產(chǎn)生的側(cè)邊崩碎特征，測(cè)量了側(cè)邊崩碎區(qū)域的寬度。通過(guò)比較不同磨削參數(shù)下磨削溝槽側(cè)邊崩碎區(qū)域的形貌特征和寬度，探討了SiCf/SiC磨削中側(cè)邊崩碎在SiC基體和SiC纖維束中的分布與形成機(jī)理。

3 結(jié)果與討論

由于SiCf/SiC材料中基體和增強(qiáng)纖維的物理、力學(xué)性能不同，因此磨削中在SiC基體內(nèi)與SiC纖維中的側(cè)邊崩碎區(qū)域面積、形貌特征明顯不同。

3.1 SiC基體中側(cè)邊崩碎

磨削SiC基體所產(chǎn)生的側(cè)邊崩碎形貌如圖4a所示。在SiC基體上工件表面存在很多氣孔和裂紋，磨削中由于磨粒的擠壓作用，SiC基體被擠碎成微粉，微粉在磨粒作用下會(huì)涂抹并壓實(shí)在磨削表面，因此磨削溝槽的底部材料相較于表面材料更加密實(shí)[8]。在磨削溝槽兩側(cè)邊沿存在明顯的材料崩碎，并且工件表面的裂紋與磨削溝槽邊沿連接處存在大塊的側(cè)邊崩碎，而沒(méi)有裂紋處則出現(xiàn)的是小塊崩碎。由于表面裂紋的存在，導(dǎo)致降低了材料強(qiáng)度，在磨削中受磨粒擠壓應(yīng)力作用會(huì)出現(xiàn)大塊材料崩碎。在本試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)所有磨削參數(shù)下材料的側(cè)邊崩碎規(guī)律都相同，大塊的側(cè)邊崩碎出現(xiàn)于表面裂紋處，而沒(méi)有裂紋處的側(cè)邊崩碎面積小，并且不同磨削參數(shù)下側(cè)邊崩碎區(qū)域的寬度未見(jiàn)明顯區(qū)別，如圖4b所示。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因可能來(lái)自于材料原有的微氣孔。PIP工藝制備的SiC基體內(nèi)存在大量的微氣孔，這些氣孔阻礙了裂紋擴(kuò)展[25]，使得側(cè)位裂紋難以擴(kuò)展至表面而引起側(cè)邊大面積崩碎，因此，在SiC基體上磨削造成的側(cè)邊崩碎主要與材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)和表面裂紋相關(guān)，與磨削速度、磨削深度等參數(shù)無(wú)明顯的相關(guān)性。由此可知，制備無(wú)裂紋的SiC基體可以減小磨削過(guò)程中的側(cè)邊崩碎程度。在磨削SiC基體時(shí)，提高磨削速度、進(jìn)給速度，增大磨削深度，可以在不增大側(cè)邊崩碎程度的同時(shí)大幅提高材料去除率。

(a) 側(cè)邊崩碎的SEM照片

3.2 纖維方向?qū)?cè)邊崩碎的影響

不同纖維方向?qū)?cè)邊崩碎的影響規(guī)律如圖5所示。當(dāng)纖維角度為0°時(shí)，側(cè)邊崩碎寬度最小。隨著纖維與磨削方向角度的增大，磨削造成的側(cè)邊崩碎寬度逐漸增大。當(dāng)纖維角度為90°時(shí)，側(cè)邊崩碎寬度最大。

圖5 側(cè)邊崩碎寬度隨纖維方向的變化

3.2.190°纖維的側(cè)邊崩碎

當(dāng)磨削90°纖維時(shí)，磨削溝槽兩側(cè)的崩碎寬度最大，主要為基體崩碎(包裹在纖維周邊的SiC基體發(fā)生剝落和崩碎)、纖維拔出以及側(cè)向開(kāi)裂，如圖6a所示，其側(cè)邊崩碎區(qū)域?qū)挾燃s為100 μm。從圖6a中可以看到，溝槽右側(cè)橫向分布的纖維基本位于工件淺表面，纖維上表面為自由表面。在磨削中，受磨粒擠壓作用，由于纖維上表面缺少足夠的約束作用，使得纖維易向上表面發(fā)生彎曲變形，進(jìn)而發(fā)生彎曲斷裂[7]，形成側(cè)邊大塊崩碎。因?yàn)槔w維斷裂的發(fā)生，加之每根纖維束于磨粒的相對(duì)位置不同，各個(gè)纖維束受力情況不同，導(dǎo)致各個(gè)纖維束之間的變形不協(xié)調(diào)，并引發(fā)沿著纖維束方向的側(cè)向開(kāi)裂。由于纖維束的變形，SiC基體被崩碎并發(fā)生脫落，因此側(cè)邊崩碎裸露出的纖維沒(méi)有基體包裹。側(cè)邊崩碎的寬度分布如圖6b所示，當(dāng)磨削速度為50 m/s和90 m/s時(shí)，側(cè)邊崩碎區(qū)域?qū)挾缺饶ハ魉俣葹?0 m/s時(shí)分別減小約30%和60%。主要原因在于，磨削速度提高，材料脆性提高[8]，纖維彎曲變形減小，導(dǎo)致最終側(cè)邊崩碎程度減小。由圖6b還可以看出，當(dāng)磨削速度為20 m/s時(shí)，側(cè)邊崩碎寬度隨著單顆磨粒最大未變形切厚的增大略有減小的趨勢(shì)。主要原因分析為，單顆磨粒最大未變形切厚增大，磨削區(qū)材料去除體積增大，纖維變形減小，導(dǎo)致側(cè)邊崩碎寬度減小。

(a) 側(cè)邊崩碎的SEM 照片(vs=20 m/s，ac=25 μm，vw=60 mm/min)

試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)垂直于纖維走向磨削時(shí)，側(cè)邊崩碎與纖維分布深度有關(guān)。當(dāng)纖維分布深度較大時(shí)，纖維四周被緊密約束，則磨削過(guò)程中，纖維變形減小，側(cè)邊崩碎程度會(huì)大幅減小。如圖7所示，材料內(nèi)部橫向纖維的上表面被垂直方向上分布的纖維束約束，磨削過(guò)程中，橫向纖維不易發(fā)生變形，進(jìn)而側(cè)邊崩碎程度顯著減小，側(cè)邊崩碎寬度約為20 μm，比表層分布纖維崩碎寬度減小超過(guò)80%。

圖7 材料深層分布的90°纖維的側(cè)邊崩碎SEM照片(vs=20 m/s，ac=60 μm，vw=60 mm/min)

因此，當(dāng)磨削90°纖維時(shí)，側(cè)邊崩碎與纖維分布深度、磨削速度以及磨削中單顆磨粒最大未變形切厚有關(guān)。在脆性去除模式下，增大復(fù)合材料纖維的包埋深度，提高磨削速度，增大單顆磨粒最大未變形切厚，可提高材料去除率，減小材料側(cè)邊崩碎程度，對(duì)提高加工效率具有積極意義。

3.2.20°纖維的側(cè)邊崩碎

總體上，磨削0°纖維時(shí)，側(cè)邊崩碎程度比磨削90°纖維時(shí)低，其側(cè)邊崩碎形貌如圖8a所示。試驗(yàn)中，溝槽兩側(cè)的纖維存在斷裂和拔出現(xiàn)象，主要原因在于沿著纖維磨削時(shí)，纖維受到磨粒擠壓而發(fā)生彎曲斷裂[7]，然后脫落形成磨屑，造成輕微纖維拔出，如圖8a所示。側(cè)邊崩碎區(qū)域?qū)挾然拘∮?0 μm，與磨削速度、磨削深度和進(jìn)給速度未發(fā)現(xiàn)有明顯的相關(guān)性，如圖8b所示。纖維束直徑約為10 μm，因此，在此條件下，側(cè)邊崩碎只涉及靠近磨削溝槽邊沿的1～3根纖維束，影響區(qū)域面積小。本試驗(yàn)中，磨削溝槽邊沿未見(jiàn)側(cè)向開(kāi)裂和大面積的側(cè)邊崩碎，主要原因是磨削0°纖維時(shí)，纖維束主要承受沿著纖維束的軸向載荷，纖維束在該方向上的承載能力強(qiáng)于在其他方向上的承載能力，纖維不易破壞。此外，基體與纖維中的應(yīng)力分布狀態(tài)也不同，纖維應(yīng)力大，基體內(nèi)分布應(yīng)力小[26]，造成側(cè)邊崩碎的主要原因是纖維斷裂。由于SiCf/SiC內(nèi)部纖維編織結(jié)構(gòu)的增韌機(jī)制使得裂紋在纖維和基體中的擴(kuò)展方向發(fā)生了偏轉(zhuǎn)[27-28]，難以引起側(cè)向開(kāi)裂，從而可減小側(cè)邊崩碎寬度。

由圖8b可以看出，在本文試驗(yàn)參數(shù)下，增大單顆磨粒最大未變形切厚時(shí)，不會(huì)增大側(cè)邊崩碎程度。由式(1)可知，單顆磨粒的最大未變形切厚主要取決于磨削用量參數(shù)，因此，磨削0°纖維時(shí)，可以增大磨削用量(即增大進(jìn)給速度和磨削深度，同時(shí)提高磨削速度)，增大單顆磨粒最大未變形切厚，以提高材料去除率。

4 結(jié)論

(1)在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，磨削SiC基體時(shí)，側(cè)邊崩碎程度不隨磨削參數(shù)的改變而改變，主要與基體內(nèi)原生裂紋有關(guān)。基體中原生裂紋易引發(fā)磨削中出現(xiàn)大塊側(cè)邊崩碎。

(2)磨削纖維時(shí)，側(cè)邊崩碎程度隨纖維與磨削方向夾角的增大而增大。

(3)磨削90°纖維時(shí)，側(cè)邊崩碎程度隨磨削速度的增大而減小。當(dāng)磨削速度從20 m/s分別增大至50 m/s和90 m/s時(shí)，磨削造成的側(cè)邊崩碎寬度分別減小30%和60%。

(4)在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，增大磨削用量，增大單顆磨粒最大未變形切厚，不會(huì)增大磨削中側(cè)邊崩碎程度，但可以提高材料去除率。