基于纖維方向的C/SiC復合材料端面磨削實驗研究

劉 謙， 孟凡卓， 田欣利， 唐修檢， 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 紹興 310000)

C/SiC復合材料是在C/C預制體上，通過不同方法燒結(jié)SiC形成的復合材料。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復合材料的加工方法主要有機械加工方法和特種加工方法。其中：機械加工方法(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，國內(nèi)采用金剛石砂輪磨削加工方法較多。如：丁凱等[5]對二維正交編織結(jié)構(gòu)C/SiC復合材料進行了平面磨削實驗，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2D-C/SiC復合材料進行了高速磨削實驗，并對磨削機理進行了分析，發(fā)現(xiàn)材料以脆性斷裂方式去除；池憲等[7]采用正交實驗法對C/SiC復合材料進行磨削加工，并對磨削參數(shù)進行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)需要對工作臺速度進行改進。

碳纖維作為C/SiC復合材料的增韌材料，在材料加工過程中，纖維層的存在會影響加工特性。目前，國內(nèi)關(guān)于C/SiC復合材料纖維方向?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C/SiC復合材料進行端面磨削加工，重點研究不同纖維方向的磨削特征和磨削機理。

1 實驗方法

1.1 實驗材料

實驗采用氣相滲硅反應(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復合材料性能參數(shù)如表1所示。

表1 C/SiC復合材料性能參數(shù)

1.2 實驗方法

實驗機床為BV75立式加工中心，其性能參數(shù)如表2所示。實驗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立式加工中心機床性能參數(shù)

根據(jù)不同纖維方向，分3個方向進行單因素磨削實驗。圖1為磨削實驗示意圖，其中：圖1(a)為橫向纖維磨削示意圖，其砂輪進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個纖維方向上磨削力隨磨削深度、進給速度和砂輪轉(zhuǎn)速的變化曲線?？梢钥闯觯?/p>

1) 3個纖維方向上的磨削力均較小，其最大值不超過25 N。這是因為C/SiC復合材料在制備過程中存在一定的孔隙率，導致材料組織的致密性較差[5]。

2) 在3個纖維方向上，磨削力均隨磨削深度和進給速度的增大而增大，而隨砂輪轉(zhuǎn)速的增大而減小。這是因為：(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，進而導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。

對比圖2中3個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為：在磨削橫向纖維方向材料過程中，磨粒要同時磨削碳纖維層和SiC基體層，而磨削縱向纖維方向材料時，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復合材料磨削面存在碳纖維層和SiC基體層，且磨削過程中會暴露材料本身制備過程中產(chǎn)生的孔隙缺陷，因此測定磨削面的粗糙度較難。實驗選取磨削面不同區(qū)域的5個測試點進行粗糙度測定，取其平均值作為磨削面的粗糙度。

圖3為3個纖維方向上磨削表面粗糙度隨磨削深度、進給速度和砂輪轉(zhuǎn)速的變化曲線。圖4為采用影像測量儀觀測的放大180倍的磨削表面形貌。由圖3可以看出：

1) C/SiC復合材料磨削表面粗糙度較大，為4～7 μm。這是因為：在磨削加工過程中，碳纖維會發(fā)生拔出、斷裂等損傷(如圖4所示)，這會增加磨削面的起伏變化，同時磨削加工導致材料制備過程中產(chǎn)生的孔隙缺陷暴露，進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給速度的增大而增大，隨砂輪轉(zhuǎn)速的增大而減小。這是因為：(1)磨削深度的增大使得磨粒嵌入材料的深度增大，進而使磨粒切割磨削材料的去除量增大，導致單位時間內(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)進給速度的增大可使單位長度的磨削時間縮短，這會導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。分析其原因為：橫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 磨削機理分析

圖6為單顆磨粒磨削斷裂模型?？梢钥闯觯?)當高速運動磨粒對材料表面進行沖擊和磨削作用時，材料首先發(fā)生塑性變形，此時材料主要受剪切應(yīng)力和拉應(yīng)力作用；2)隨著磨粒的持續(xù)磨削，當應(yīng)力超過C/SiC復合材料本身的抗拉強度時，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)隨著磨削過程的進行，裂紋不斷擴展，材料最終以脆性斷裂和塊狀剝落的形式去除。

C/SiC復合材料中的碳纖維層使得材料的韌性得到較大提升，當SiC基體材料中裂紋擴展到碳纖維層時，由于碳纖維強度大于SiC基體強度，裂紋若發(fā)生進一步擴展，則需要增大外加應(yīng)力或延長外加應(yīng)力作用時間。而持續(xù)磨削作用為裂紋的擴展提供了外加應(yīng)力，導致裂紋進一步擴展，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)力強度達不到破壞碳纖維所需強度或外加應(yīng)力作用時間較短，則裂紋擴展方向會發(fā)生改變，其只會在SiC基體中進行擴展，如圖6(b)所示。由此可以推測：C/SiC復合材料中碳纖維層起到減弱微裂紋擴展程度和改變微裂紋擴展方向的作用，使微裂紋擴展只在SiC基體材料中發(fā)生，當因外加應(yīng)力較大或作用時間較長而引起纖維拔出時，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，減輕了下層基體材料損傷。

4 結(jié)論

1) C/SiC復合材料在不同纖維方向上磨削力和磨削表面粗糙度不同，這主要是因為不同纖維方向的磨削性能不同。下一步，可進一步探討磨削進給方向與纖維層夾角對磨削特征的影響規(guī)律。

2) C/SiC復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損傷形式?jīng)]有明顯影響。

3) C/SiC復合材料纖維層的存在阻止了裂紋的進一步擴展，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理，用數(shù)學模型解釋其增韌機制。