姜卓鈺 趙春玲 束小文 劉志強 焦 健

（1 先進復合材料科技重點實驗室，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實驗室，大連理工大學，大連 116024）

文 摘 采用超聲輔助磨削對MI工藝制備的SiCf/SiC 復合材料表面進行磨削加工，研究了進給速度對復合材料性能的影響。結果表明：采用超聲輔助磨削加工SiCf/SiC 復合材料表面時，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。當進給速度提高時，復合材料表面損傷加重，導致其比例極限強度和最大載荷降低。進給速度由400 mm/min提高至1 000 mm/min時，SiCf/SiC復合材料的拉伸強度和彎曲強度分別降低4.7%和20.6%。

0 引言

SiCf/SiC 復合材料是以SiC 連續(xù)纖維為增強體，SiC 陶瓷為基體的復合材料。這種材料具有耐磨、耐高溫、抗蠕變、耐腐蝕、抗燒傷等優(yōu)點［1-2］。同時，由于在脆性的SiC陶瓷基體中引入了連續(xù)SiC纖維作為增強體，SiCf/SiC 復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［3］。因而成為航空航天領域，尤其航空發(fā)動機中典型構件選材的熱門［4-5］。

SiCf/SiC 陶瓷基復合材料典型構件的制備過程中，需要通過機械加工實現(xiàn)典型構件的最終結構。但由于SiCf/SiC 復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)增強體纖維與基體相之間的界面相也易損傷。因此機械加工會對SiCf/SiC 陶瓷基復合材料造成明顯損傷，使復合材料中出現(xiàn)纖維脫落、基體破碎等現(xiàn)象，從而降低復合材料的性能，進而影響SiCf/SiC 陶瓷基復合材料典型構件的使用壽命［6］。尤其當加工工藝參數(shù)選擇不當時，這種加工損傷更加明顯。

目前關于SiCf/SiC 陶瓷基復合材料加工具有較多報道。更多關注的不同加工方式對SiCf/SiC 陶瓷基復合材料微觀形貌等的影響［7］。張文武等［8］對陶瓷基復合材料的加工技術進行了比較，闡述了機械加工、傳統(tǒng)超聲加工以及旋轉超聲加工的工藝特點，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 復合材料鉆孔，發(fā)現(xiàn)超聲輔助作用可有效降低進給力?？等士频龋?0］通過研究超聲輔助磨削和普通磨削SiCf/SiC 陶瓷基復合材料時的磨削力、表面形貌等，發(fā)現(xiàn)超聲振幅在一定范圍內有助于改善加工件表面的質量。LIU［11］研究了Cf/SiC復合材料的超聲輔助加工，研究結果表明進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?？梢娕c普通機械加工相比，超聲輔助加工技術可有效降低切削力、改善加工質量等。采用超聲振動輔助加工時，進給速度直接關系到加工效率，現(xiàn)有研究中就進給速度對于SiCf/SiC 陶瓷基復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 陶瓷基復合材，通過對不同進給速度加工后復合材料的性能、表面形貌等測試，研究進給速度對復合材料的性能影響，為SiCf/SiC 陶瓷基復合材料類零件的高效低損傷加工提供研究基礎。

1 實驗材料及方法

1.1 SiCf/SiC復合材料制備

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

1.2 加工設備及方法

加工試驗在集成超聲輔助系統(tǒng)的三軸立式數(shù)控加工中心上進行，機床主軸最高轉速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 兩種進給速度對SiCf/SiC 陶瓷基復合材料平板件的上下表面進行加工（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

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

2 結果與討論

圖2 為不同進給速度加工復合材料試樣的性能測試結果?？梢奡ample-A 樣品的拉伸強度為253 MPa，彎曲強度為743 MPa。Sample-B 樣品的拉伸強度和彎曲強度均有所下降，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)出準彈性的應變過程［13］。當載荷逐漸增大時，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”對應的載荷約為500 MPa。Sample-B 樣品的載荷位移曲線中，首次出現(xiàn)“震蕩點”對應的載荷約為200 MPa，隨著載荷的進一步增加，出現(xiàn)了較多的“震蕩點”。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 為不同進給速度加工復合材料表面的放大形貌?？梢姡曒o助機械加工后，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?？梢钥闯鯯ample-A 樣品表面高度差為60.079 μm，Sample-B 樣品表面高度為107.373 μm?？梢娞岣哌M給速度后，試樣加工表面的起伏更大。因此高進給速度加工的試樣表面可能會形成更嚴重的加工損傷。

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)去除階段轉變?yōu)榇嘈詤^(qū)去除階段。對于MI 工藝制備的SiCf/SiC 復合材料，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，與超聲輔助加工參數(shù)無關，而實際加工深度與磨削力F正相關［14］。

圖7 為超聲磨削加工示意圖?？梢娫谀ハ骷庸み^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，材料加工去除機理轉變?yōu)榇嘈匀コ?。此時磨頭施加的磨削力大于纖維與基體的結合強度，使得材料加工區(qū)出現(xiàn)裂紋并發(fā)生擴展［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，導致加工區(qū)周圍基體脫落［圖8（b）］。

磨削力與進給速度存在正相關［17］。即當其他參數(shù)不變，進給速度提高時，磨削力將明顯增加。因此，采用更高進給速度加工復合材料時，磨頭對纖維及基體會產(chǎn)生更大的磨削力，脆性去除機理將使加工區(qū)形成更為嚴重的加工損傷［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，復合材料表面損傷更加嚴重。

MI 工藝制備的SiCf/SiC 陶瓷基復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，在復合材料試樣受載時，裂紋源開始擴展，導致復合材料強度下降［19］。相比于Sample-A 樣品，采用較高的進給速度加工使Sample-B 樣品表面形成了更嚴重的損傷，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”。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度明顯下降。

3 結論

采用超聲輔助機械加工的方法對SiCf/SiC 復合材料表面進行磨削加工，進給速度較高時，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致實際磨削加工深度大于SiCf/SiC 復合材料的臨界加工深度，材料去除機理由韌性區(qū)去除轉變?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)形成嚴重的損傷。本文中，當進給速度由400 mm/min 提高至1 000 mm/min 時，SiCf/SiC 復合材料表面加工損傷加重，復合材料的拉伸強度和彎曲強度別下降了4.7%和20.6%。因此，在加工過程中，應根據(jù)MI-SiCf/SiC復合材料特性，選擇適合的進給速度等加工參數(shù)，使磨削力F小于纖維與基體的結合強度，從而降低加工損傷，提高復合材料產(chǎn)品的綜合性能。