刘 谦， 孟凡卓， 田欣利， 唐修检， 吴乐乐

(1. 陆军装甲兵学院装备保障与再制造系， 北京 100072； 2. 浙江帅丰电气股份有限公司， 浙江 绍兴 310000)

C/SiC复合材料是在C/C预制体上，通过不同方法烧结SiC形成的复合材料。与SiC陶瓷相比，其韧性得到显著提升，具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损和抗氧化等优良性能，在航空航天、机械制造、汽车和军工等领域有着广泛应用[1- 2]。作为一种难加工材料[3]，C/SiC复合材料的加工方法主要有机械加工方法和特种加工方法。其中：机械加工方法(如磨削、铣削等)的加工精度较高、质量较好，但刀具磨损大、加工效率低；特种加工方法(如磨料水射流切割、激光加工、超声加工等)的刀具磨损小、加工成本低，但加工精度较低[4]。目前，国内采用金刚石砂轮磨削加工方法较多。如：丁凯等[5]对二维正交编织结构C/SiC复合材料进行了平面磨削实验，分析了磨削亚表面损伤，发现碳纤维层损伤表现为阶梯状脆性断裂，SiC基体损伤表现为脆性断裂和微裂纹；刘杰等[6]对2D-C/SiC复合材料进行了高速磨削实验，并对磨削机理进行了分析，发现材料以脆性断裂方式去除；池宪等[7]采用正交实验法对C/SiC复合材料进行磨削加工，并对磨削参数进行了优化，发现需要对工作台速度进行改进。

碳纤维作为C/SiC复合材料的增韧材料，在材料加工过程中，纤维层的存在会影响加工特性。目前，国内关于C/SiC复合材料纤维方向对磨削加工影响的研究较少。因此，笔者采用小直径金刚石砂轮对C/SiC复合材料进行端面磨削加工，重点研究不同纤维方向的磨削特征和磨削机理。

1 实验方法

1.1 实验材料

实验采用气相渗硅反应烧结工艺(Gaseous Si Infiltration，GSI)，以气相硅作为渗透物和反应物，与C/C多孔体中C组分反应生成SiC而制备出的C/SiC复合材料[8]。该材料尺寸为60 mm×30 mm×15 mm，其中：碳纤维束按0°/90°方向叠加成碳纤维层，厚度为0.2～0.4 mm；SiC基体层厚度为1.5～2.5 mm。C/SiC复合材料性能参数如表1所示。

表1 C/SiC复合材料性能参数

1.2 实验方法

实验机床为BV75立式加工中心，其性能参数如表2所示。实验采用小砂轮端面磨削方法，所用砂轮为树脂结合剂金刚石砂轮，砂轮直径为60 mm，目数为80#。磨削参数如下：磨削深度为20～100 μm，进给速度为2 000～6 000 mm/min，砂轮转速为2 000～6 000 r/min。

表2 BV75立式加工中心机床性能参数

根据不同纤维方向，分3个方向进行单因素磨削实验。图1为磨削实验示意图，其中：图1(a)为横向纤维磨削示意图，其砂轮进给方向和碳纤维层夹角为0°，砂轮端面垂直于碳纤维层和SiC基体层；图1(b)为纵向纤维磨削示意图，其砂轮进给方向和碳纤维层夹角为90°，砂轮端面垂直于碳纤维层和SiC基体层；图1(c)为正常方向纤维磨削示意图，其砂轮进给方向和砂轮端面均平行于于碳纤维层和SiC基体层。

2 结果与分析

2.1 磨削力

图2为3个纤维方向上磨削力随磨削深度、进给速度和砂轮转速的变化曲线。可以看出：

1) 3个纤维方向上的磨削力均较小，其最大值不超过25 N。这是因为C/SiC复合材料在制备过程中存在一定的孔隙率，导致材料组织的致密性较差[5]。

2) 在3个纤维方向上，磨削力均随磨削深度和进给速度的增大而增大，而随砂轮转速的增大而减小。这是因为：(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，进而导致磨粒切削刃与材料接触面积增大，单颗磨粒的最大未变形切削厚度增大，从而使磨削力增大；(2)进给速度的增大使得单颗磨粒的最大未变形切削厚度增加，从而使磨削力增大；(3)砂轮转速的增大，使得单位时间内磨粒磨削材料的次数增多，材料去除更充分，从而使磨削力减小。

对比图2中3个不同纤维方向上的磨削力变化曲线，可以发现：正常纤维方向的磨削力最大，横向纤维方向的次之，纵向纤维方向的最小。横向纤维方向的磨削力大于纵向纤维是因为：在磨削横向纤维方向材料过程中，磨粒要同时磨削碳纤维层和SiC基体层，而磨削纵向纤维方向材料时，SiC基体和碳纤维层交替出现，磨粒依次磨削2种单一相材料。

2.2 表面粗糙度

由于C/SiC复合材料磨削面存在碳纤维层和SiC基体层，且磨削过程中会暴露材料本身制备过程中产生的孔隙缺陷，因此测定磨削面的粗糙度较难。实验选取磨削面不同区域的5个测试点进行粗糙度测定，取其平均值作为磨削面的粗糙度。

图3为3个纤维方向上磨削表面粗糙度随磨削深度、进给速度和砂轮转速的变化曲线。图4为采用影像测量仪观测的放大180倍的磨削表面形貌。由图3可以看出：

1) C/SiC复合材料磨削表面粗糙度较大，为4～7 μm。这是因为：在磨削加工过程中，碳纤维会发生拔出、断裂等损伤(如图4所示)，这会增加磨削面的起伏变化，同时磨削加工导致材料制备过程中产生的孔隙缺陷暴露，进一步使得表面粗糙度[5]增大。

2)磨削表面粗糙度随磨削深度和进给速度的增大而增大，随砂轮转速的增大而减小。这是因为：(1)磨削深度的增大使得磨粒嵌入材料的深度增大，进而使磨粒切割磨削材料的去除量增大，导致单位时间内磨削面因材料去除不充分而产生的材料残留量增大，从而使表面起伏增大，即表面粗糙度增大；(2)进给速度的增大可使单位长度的磨削时间缩短，这会导致材料去除不够充分、磨削表面材料残留量增大，致使表面粗糙度增大；(3)砂轮转速的增大使得单位时间内同一磨削面的磨粒磨削次数增多，材料去除更加充分，磨削作用较好，致使表面粗糙度减小。

3) 纵向纤维方向的磨削表面粗糙度最大，为5.5～7.0 μm；正常纤维方向的磨削表面粗糙度最小，为4.0～5.0 μm。分析其原因为：横向纤维和纵向纤维表面在物理性能上表现为各向异性，正常方向纤维表面表现为各向同性，磨削加工时正常纤维方向磨削表面材料去除更为均匀，表面起伏较小。

对比图4(a)、(b)可以看出：与横向纤维方向磨削纤维层损伤程度相比，纵向纤维方向的磨削纤维层断裂程度较大，且出现整块碳纤维缺失，这是造成其磨削表面粗糙度最大的主要原因。由图4(c)可以看出：正常纤维方向的纤维随机分布在磨削面中，磨削面各处差异最小，即表面粗糙度最小。

3 磨削损伤与机理

3.1 磨削损伤分析

图5为磨削面微观形貌SEM图。由图5(a)中的纤维断裂微观形貌可以看出：纤维发生了阶梯状脆性断裂[9]，且断口形貌不规则，说明部分纤维之间分层，产生孔隙，纤维表面存在SiC磨屑。

由图5(b)中碳纤维与SiC基体的界面层微观形貌可以看出：在磨粒磨削作用下，碳纤维层与SiC基体层连接界的面层被破坏，界面层因纤维缺失而出现缝隙，造成界面层失粘损伤。由图5(c)中SiC基体裂纹微观形貌可以看出：SiC基体在磨削过程中以脆性断裂方式去除，裂纹扩展造成其块状剥落，其损伤形式主要为微裂纹损伤。

3.2 磨削机理分析

图6为单颗磨粒磨削断裂模型。可以看出：1)当高速运动磨粒对材料表面进行冲击和磨削作用时，材料首先发生塑性变形，此时材料主要受剪切应力和拉应力作用；2)随着磨粒的持续磨削，当应力超过C/SiC复合材料本身的抗拉强度时，材料表面出现纵向的径向裂纹[10]和横向的侧向裂纹[11]；3)随着磨削过程的进行，裂纹不断扩展，材料最终以脆性断裂和块状剥落的形式去除。

C/SiC复合材料中的碳纤维层使得材料的韧性得到较大提升，当SiC基体材料中裂纹扩展到碳纤维层时，由于碳纤维强度大于SiC基体强度，裂纹若发生进一步扩展，则需要增大外加应力或延长外加应力作用时间。而持续磨削作用为裂纹的扩展提供了外加应力，导致裂纹进一步扩展，材料界面层被破坏，碳纤维层受到磨粒冲击、切割，纤维发生拔出、断裂损伤(如图6(a)所示)，其断裂韧性为[12]

KIC=KICO+(ΔWfp+ΔWff)，

(1)

式中：KIC为C/SiC复合材料断裂韧性；KICO为SiC基体材料断裂韧性；ΔWfp为纤维拔出功；ΔWff为纤维断裂功。

若外加应力强度达不到破坏碳纤维所需强度或外加应力作用时间较短，则裂纹扩展方向会发生改变，其只会在SiC基体中进行扩展，如图6(b)所示。由此可以推测：C/SiC复合材料中碳纤维层起到减弱微裂纹扩展程度和改变微裂纹扩展方向的作用，使微裂纹扩展只在SiC基体材料中发生，当因外加应力较大或作用时间较长而引起纤维拔出时，纤维的破坏吸收了外加载荷，降低了裂纹扩展的速度和程度，减轻了下层基体材料损伤。

4 结论

1) C/SiC复合材料在不同纤维方向上磨削力和磨削表面粗糙度不同，这主要是因为不同纤维方向的磨削性能不同。下一步，可进一步探讨磨削进给方向与纤维层夹角对磨削特征的影响规律。

2) C/SiC复合材料磨削加工材料去除形式为脆性断裂和块状剥落去除；损伤形式主要有碳纤维断裂、分层，SiC基体微裂纹，界面层失粘和磨削纤维方向和磨削用量变化对损伤形式没有明显影响。

3) C/SiC复合材料纤维层的存在阻止了裂纹的进一步扩展，碳纤维的拔出、断裂过程吸收了外加载荷，减小了外加应力对下层SiC基体材料的损伤。下一步研究应着重揭示碳纤维增韧机理，用数学模型解释其增韧机制。