SiCf/SiC陶瓷基復合材料單顆磨粒磨削試驗研究

殷景飛 徐九華 丁文鋒 蘇宏華 曹 洋 何靜遠

南京航空航天大學機電學院，南京，210016

0 引言

碳化硅纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料(以下簡稱“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)動機的熱端部件上具有廣闊的應用前景[2]。為了滿足零部件對尺寸精度和表面完整性的要求，不可避免地需要對SiCf/SiC進行加工。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，會降低最終零件的強度和性能，從而制約了其廣泛應用，因此有必要研究并控制SiCf/SiC加工過程中的損傷。

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合材料可以減小磨削力、減少砂輪磨損量，進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)超聲作用能促進纖維斷裂，使得纖維以短纖維形式被去除，在一定范圍內可以改善加工質量，但超聲振幅過大也會加劇損傷，導致加工表面質量降低。王濤等[5]研究了C/SiC中纖維方向對磨削力的影響規(guī)律，指出沿纖維的法向、縱向、橫向進行磨削時，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，研究結果表明，磨削中磨削力和材料損傷與纖維方向直接相關，但該研究中并未完全揭示出損傷機理。CHEN等[7]開展了沿C/SiC不同纖維方向上的納米劃擦試驗，揭示了纖維從微觀斷裂到宏觀斷裂轉變的材料去除和損傷機理，研究發(fā)現(xiàn)，試驗中劃擦速度為30 μm/s，遠小于實際磨削加工速度。YIN等[8-9]驗證了SiCf/SiC材料去除機理與磨削速度密切相關，并且硬脆材料的加工損傷也存在應變率效應，因此，低速劃擦試驗并不能如實反映出SiCf/SiC在實際加工中的損傷規(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，揭示了磨粒形狀對材料去除機理和損傷形式的影響規(guī)律。當沿著纖維走向磨削時，磨削區(qū)域內纖維斷裂和拔出損傷減少。陶瓷基復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。樹脂基復合材料加工邊沿以分層為主，如碳纖維復合材料(carbon fiber reinforced polymer，CFRP)鉆削出口毛刺[11]，然而陶瓷基復合材料的加工損傷主要以崩碎為主[12]。對于硬脆材料加工，崩碎是很常見的現(xiàn)象[13-16]。側邊崩碎是材料去除機理和加工表面創(chuàng)成機制中的重要研究內容。實際磨削中，磨削區(qū)域內多顆磨粒同時參與磨削，各磨粒應力場可能會發(fā)生干涉，進而影響損傷的形成與分布[17-19]。SiCf/SiC磨削中發(fā)生側邊崩碎將改變磨削區(qū)域周圍材料的應力和損傷分布，從而影響材料去除和損傷機理，因此，SiCf/SiC磨削中側邊崩碎不可忽視。

針對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驗研究階段，實際磨削時，材料仍以脆性去除為主。迄今為止，有關SiCf/SiC磨削中側邊崩碎方面的研究報道較少，側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磨削過程中材料去除和損傷機理，可為開發(fā)高效磨削工具、控制SiCf/SiC實際磨削過程中損傷和提高加工表面質量提供一定的參考。

1 側邊崩碎

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

圖1 側邊崩碎示意圖

亞表面裂紋降低了材料強度，改變了材料微觀結構，進而會影響材料加工過程中的應力分布和損傷擴展。實際磨削為多磨粒復合磨削過程，相鄰磨粒磨削引入的應力場干涉情況和前后磨粒重復磨削造成的損傷擴展情況復雜，磨粒尺寸和間距分布隨機，難以揭示磨削過程中磨粒造成的損傷擴展及分布規(guī)律。通過單顆磨粒磨削，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由側位裂紋擴展導致的側邊崩碎規(guī)律，為揭示實際磨削時材料去除機理和損傷形成機理奠定基礎。

2 試驗與方法

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]，材料屬性詳見表1。工件材料首先被鋸切成30 mm×30 mm×4 mm尺寸。磨削試驗前，工件上表面經過充分研磨拋光，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行拋光，拋光壓力為10 N，拋光時長為10 min。

表1 SiCf/SiC的材料屬性

(a) 纖維編織方式示意圖

試驗裝置安裝在超高速磨床(PROFIMAT MT 408，BLOHM，德國)上，如圖3所示，SiCf/SiC工件通過虎鉗固定在砂輪下方，如圖3a所示。單顆金剛石通過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，砂輪旋轉方向和工件進給方向已在圖3a中標出。根據(jù)

(a) 單顆磨削試驗平臺

磨削原理[21]，試驗中通過設置不同的磨削參數(shù)來改變磨粒的最大未變形切厚agmax，其計算式為

(1)

式中，λ為相鄰兩個磨刃之間的間距；ds為磨粒旋轉直徑；vw為進給速度；vs為磨削速度；ac為磨削深度。

在本試驗中，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陶瓷材料脆塑轉變的臨界最大未變形切厚通常約為0.2 μm[22-23]。陶瓷復合材料磨削時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引發(fā)的側邊崩碎規(guī)律，試驗設計的磨削參數(shù)詳見表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，其余角度依此類推。

表2 試驗中磨削參數(shù)

試驗中通過掃描電鏡(EM-30P1US，COXEM，韓國)觀測磨削溝槽形貌及側邊崩碎分布。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產生的側邊崩碎特征，測量了側邊崩碎區(qū)域的寬度。通過比較不同磨削參數(shù)下磨削溝槽側邊崩碎區(qū)域的形貌特征和寬度，探討了SiCf/SiC磨削中側邊崩碎在SiC基體和SiC纖維束中的分布與形成機理。

3 結果與討論

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

3.1 SiC基體中側邊崩碎

磨削SiC基體所產生的側邊崩碎形貌如圖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涂抹并壓實在磨削表面，因此磨削溝槽的底部材料相較于表面材料更加密實[8]。在磨削溝槽兩側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邊崩碎，而沒有裂紋處則出現(xiàn)的是小塊崩碎。由于表面裂紋的存在，導致降低了材料強度，在磨削中受磨粒擠壓應力作用會出現(xiàn)大塊材料崩碎。在本試驗中發(fā)現(xiàn)所有磨削參數(shù)下材料的側邊崩碎規(guī)律都相同，大塊的側邊崩碎出現(xiàn)于表面裂紋處，而沒有裂紋處的側邊崩碎面積小，并且不同磨削參數(shù)下側邊崩碎區(qū)域的寬度未見明顯區(qū)別，如圖4b所示。產生上述現(xiàn)象的主要原因可能來自于材料原有的微氣孔。PIP工藝制備的SiC基體內存在大量的微氣孔，這些氣孔阻礙了裂紋擴展[25]，使得側位裂紋難以擴展至表面而引起側邊大面積崩碎，因此，在SiC基體上磨削造成的側邊崩碎主要與材料內部微結構和表面裂紋相關，與磨削速度、磨削深度等參數(shù)無明顯的相關性。由此可知，制備無裂紋的SiC基體可以減小磨削過程中的側邊崩碎程度。在磨削SiC基體時，提高磨削速度、進給速度，增大磨削深度，可以在不增大側邊崩碎程度的同時大幅提高材料去除率。

(a) 側邊崩碎的SEM照片

3.2 纖維方向對側邊崩碎的影響

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

圖5 側邊崩碎寬度隨纖維方向的變化

3.2.190°纖維的側邊崩碎

當磨削90°纖維時，磨削溝槽兩側的崩碎寬度最大，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)、纖維拔出以及側向開裂，如圖6a所示，其側邊崩碎區(qū)域寬度約為100 μm。從圖6a中可以看到，溝槽右側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，進而發(fā)生彎曲斷裂[7]，形成側邊大塊崩碎。因為纖維斷裂的發(fā)生，加之每根纖維束于磨粒的相對位置不同，各個纖維束受力情況不同，導致各個纖維束之間的變形不協(xié)調，并引發(fā)沿著纖維束方向的側向開裂。由于纖維束的變形，SiC基體被崩碎并發(fā)生脫落，因此側邊崩碎裸露出的纖維沒有基體包裹。側邊崩碎的寬度分布如圖6b所示，當磨削速度為50 m/s和90 m/s時，側邊崩碎區(qū)域寬度比磨削速度為20 m/s時分別減小約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，導致最終側邊崩碎程度減小。由圖6b還可以看出，當磨削速度為20 m/s時，側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。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，導致側邊崩碎寬度減小。

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

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

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

因此，當磨削90°纖維時，側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。在脆性去除模式下，增大復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，減小材料側邊崩碎程度，對提高加工效率具有積極意義。

3.2.20°纖維的側邊崩碎

總體上，磨削0°纖維時，側邊崩碎程度比磨削90°纖維時低，其側邊崩碎形貌如圖8a所示。試驗中，溝槽兩側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，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。側邊崩碎區(qū)域寬度基本小于30 μm，與磨削速度、磨削深度和進給速度未發(fā)現(xiàn)有明顯的相關性，如圖8b所示。纖維束直徑約為10 μm，因此，在此條件下，側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。本試驗中，磨削溝槽邊沿未見側向開裂和大面積的側邊崩碎，主要原因是磨削0°纖維時，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，基體與纖維中的應力分布狀態(tài)也不同，纖維應力大，基體內分布應力小[26]，造成側邊崩碎的主要原因是纖維斷裂。由于SiCf/SiC內部纖維編織結構的增韌機制使得裂紋在纖維和基體中的擴展方向發(fā)生了偏轉[27-28]，難以引起側向開裂，從而可減小側邊崩碎寬度。

由圖8b可以看出，在本文試驗參數(shù)下，增大單顆磨粒最大未變形切厚時，不會增大側邊崩碎程度。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，可以增大磨削用量(即增大進給速度和磨削深度，同時提高磨削速度)，增大單顆磨粒最大未變形切厚，以提高材料去除率。

4 結論

(1)在試驗參數(shù)范圍內，磨削SiC基體時，側邊崩碎程度不隨磨削參數(shù)的改變而改變，主要與基體內原生裂紋有關?；w中原生裂紋易引發(fā)磨削中出現(xiàn)大塊側邊崩碎。

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

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