陶瓷基复合材料激光/超声高效低损伤复合加工

发布日期：2022-04-10

研究背景

碳纤维增强碳化硅陶瓷基（C/SiC）复合材料是由增强相碳纤维与碳化硅（SiC）基体组成的一类先进复合材料，具有高比强度、高比刚度、低密度、耐高温、耐腐蚀等优异的力学性能和物理性能。因C/SiC复合材料中碳纤维的增韧作用有效提高了碳化硅陶瓷基复合材料的断裂韧性，而被广泛应用于现代航空航天、汽车、国防、机械等领域。如法国阵风战斗机的发动机、美国X-37B航天飞行器襟翼和鼻锥、X-51高超声速巡航导弹头锥、欧空局IVX飞行器鼻锥和热防护板、德国Sanger空天飞行器等。随着C/SiC复合材料应用领域的不断扩大，其精密加工技术受到人们越来越广泛的关注。C/SiC复合材料特殊组成及材料特性使其在切削过程中易出现增强纤维断裂、纤维与基体界面破裂、纤维拔出和脱落等损伤现象，加工难度极大。同时，C/SiC复合材料属于各向异性材料，容易在切削过程中产生毛刺、分层、撕裂、崩边等损伤，易导致零件报废，进而影响加工质量。因此，如何实现C/SiC复合材料的高效率、高质量、高精度加工成为国内外科研工作者研究的热点。

内容简介

针对陶瓷基复合材料上述加工难题，项目组在陶瓷基复合材料微切削过程中引入激光/超声等能场技术，创新提出了激光/超声复合微切削加工方法，巧妙利用激光微切削过程光、声、力、热耦合作用机制，调控材料脆塑转变阈值，抑制毛刺、微裂纹产生，降低切削力与刀具损耗；通过超声分离特性与冲击效应，降低材料屈服强度，改善切削热累积与应力分布，大幅提升陶瓷基复合材料加工质量。

①研究了陶瓷基复合材料不同纤维角度(0°、45°、90°、135°)下激光复合微切削特性及材料去除机理。进行了一系列的激光复合微切削试验研究，并与常规加工进行了对比分析。探究了切削纤维角度对表面形貌、粗糙度和亚表面损伤的影响规律。结果表明：在切削参数相同条件下，激光复合微切削得到的表面质量优于常规切削，获得更低的表面粗糙度Ra值，不同切削纤维角度表面粗糙度值降低幅度为：90°> 0°> 45°> 135°。激光辅助微切削下表面微观缺陷明显减少，纤维断裂更加整齐，基体产生脆塑性转变，在高温作用下与纤维碎屑混合后黏粘在已加工表面，对表面凹坑、孔洞进行填补修复作用，提高了已加工表面质量。

②通过分析超声振动下正向和反向切削微切削过程，建立了超声交变载荷下纤维正、逆向切削微观失效模型，探究了超声振幅对工具-纤维接触特性的影响。在0°、45°、90°和135°的纤维切割角度下，进行了基于正交切削模型的有限元模拟和不同振幅的UVAM实验。结果表明，周期性超声振动引起的交变摩擦力促进了刀具对纤维和SiC基体的破坏作用。在 0° 和 135° 时，纤维局部失效提前发生。在45°和90°时，纤维的剪切破坏得到加强，从而减轻了对低强度基体和界面层的破坏。UVAM抑制了加工表面的凹坑、纤维拔出、基体空洞和界面脱粘等典型缺陷。研究结果表明，合理控制UVAM中的超声参数和纤维切削角度对3D针刺Cf/SiC部件的加工质量的提高有着显着影响。

③研究了超声辅助钻削的振幅对C/SiC复合材料微孔加工质量的影响。通过对不同振幅下纤维去除形式和材料损伤机理的分析，研究了超声振幅对孔壁和出口边缘的影响。随着超声振动的施加改变了纤维去除方式，减小了加工材料损伤。然而，过大的振幅会导致材料基体发生破坏。由于C/SiC复合材料内部的多层结构，钻削力曲线呈现一定间隔的“多峰值”趋势。与常规钻削加工相比，当振幅从3μm增大到9μm时，超声钻削力减小了70.1%。此外，超声振动产生的锤击效应缓解了出孔边缘的材料损伤。随着振幅的增大，钻削出孔的基体损伤和纤维断裂现象得到进一步缓解，出孔周围纤维断口比常规钻削更加规整。

图文导读

图1 3D针刺陶瓷基复合材料。

图2 激光/超声复合加工装置。

图3 在0°纤维方向角时，激光复合微切削与常规切削表面形貌对比。

图4 在0°纤维方向角时，激光复合微切削与常规切削纤维断裂机制。

图5 在0°纤维方向角条件下，不同振幅下的工具和光纤的模拟结果：(a)0μm；(b)3μm；(c)6μm；(d)9μm。

图6 0°纤维方向角下不同振幅下的表面形态：(a)0μm；(b)3μm；(c)6μm；(d)9μm。

图7 超声复合钻削模型示意图。

图8 0°纤维方向角时孔壁的微观形态：(a)A=0μm; (b)A=3μm; (c)A=6μm; (d)A=9μm。

图9 0°纤维方向角时的纤维去除模式示意图：(a)CD; (b)UAD, A = A1; (c)UAD, A = A2; A1<A2)。

文章信息：

[1] Zhai C, Xu J, Hou Y, et al. Effect of fiber orientation on surface characteristics of C/SiC composites by laser-assisted machining[J]. Ceramics International, 2021, 48(5):6402-6413. DOI:10.1016/j.ceramint.2021.11.183

[2] Chen G, Xu J, Wang J, et al. Numerical and experimental study on the amplitude effect of ultrasonic vibration-assisted milling of 3D needle-punched Cf/SiC composite[J]. Ceramics International, 2022.

[3] Wang M, Yu H, Xu J, et al. Amplitude effect on micro-hole drilling of 3D needled Cf/SiC by ultrasonic vibration [J]. Ceramics International, 2021, 47(24): 34987-35001. DOI:10.1016/j.ceramint.2021.09.040