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在航空航天领域的高温应用环境中，传统材料逐渐难以满足高推重比发动机的性能需求。 Cf/SiC复合材料以其高脆性、耐腐蚀氧化、良好的热稳定性和耐高温特性脱颖而出，成为高超音速飞行器热防护构件、航空发动机热端部件的理想选择。 然而，这种复合材料的异质性和脆性特点使得传统加工过程中常出现刀具磨损严重、加工表面质量差等问题。 超声振动辅助铣削技术为解决这一困境提供了新思路，但最佳振幅选择和损伤控制机制尚未完全揭示。 本文深入探讨超声振动在Cf/SiC复合材料铣削加工中的应用效果，阐明其对表面质量和亚表面损伤的影响机理。 航空新材料的挑战 在航空航天领域，材料的选择决定了飞行器的性能上限。 随着航空发动机追求更高推重比的发展趋势，传统高温合金材料逐渐显露出瓶颈。 据统计，传统高温合金在1000℃以上环境中长期工作会导致性能显著下降，无法满足新一代高超音速飞行器和高性能航空发动机的苛刻要求。 在这一背景下，碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料（Cf/SiC复合材料）因其独特性能而受到广泛关注。
Cf/SiC复合材料是一种由碳纤维作为增强体、碳化硅作为基体的先进复合材料。 从微观结构来看，这种材料具有明显的异质性和各向异性。 以Wang等人研究的2.5D Cf/SiC复合材料为例，其采用＂化学气相渗透（CVI）+熔融渗透（MI）＂工艺制备，纤维编织结构为浅层交叉弯曲型。 材料中使用的T300碳纤维直径约为7微米，每个纤维束中大约包含3000根纤维，纤维束宽度约为800微米。 在纤维与SiC基体之间存在一层约300纳米厚的热解碳（PyC）界面层，起到应力传递和韧化增强的关键作用。 这种复合材料综合了碳纤维的高强度、低密度和碳化硅的耐高温、抗氧化特性，表现出优异的综合性能。 具体来说，Cf/SiC复合材料具有以下几个显著特点：首先，其弯曲强度可达300MPa，拉伸强度约200MPa，而密度仅为1.85-1.95g/cm³，远低于传统高温合金；其次，材料表现出优异的高温稳定性，在1600℃以上环境中仍能保持基本力学性能；再次，它具有出色的抗腐蚀、抗氧化和耐磨损性能；最后，其热膨胀系数较低（约2.5-3.5×10⁻⁶/K），热稳定性好。 正是基于这些优异特性，Cf/SiC复合材料已经开始应用于高超音速飞行器的热防护结构部件、航空发动机的热端部件以及制动系统等关键场合。 然而，这种材料的广泛应用仍面临着加工难题。尽管现有的Cf/SiC复合材料部件基本采用近净成形制造，但仍需进行二次加工以确保表面质量和形状精度。 然而，Cf/SiC复合材料的特性——高硬度、高脆性、异质性和各向异性——使得其加工过程中经常出现刀具磨损严重和加工缺陷问题，严重影响了Cf/SiC复合材料的高性能加工与应用。 传统铣削加工过程中，常见的缺陷包括纤维拔出、纤维外露、界面脱粘和基体开裂等。 这些问题源于材料内部结构的复杂性：当刀具切入材料时，刚性较高的碳纤维和脆性较大的SiC基体会产生不同的变形行为，导致界面应力集中，最终形成各种加工缺陷。 此外，材料的高硬度特性导致加工过程中刀具磨损严重，刀具寿命短，加工效率低下。 特别值得注意的是，Cf/SiC复合材料通常应用于苛刻的服役环境，这对加工质量和精度提出了更高要求。 研究表明，加工损伤如表面裂纹和亚表面损伤会成为服役过程中的应力集中点，在高温、高压、振动等复杂环境下导致材料性能下降，甚至引发构件失效。 因此，如何降低Cf/SiC复合材料的加工损伤，提高表面质量，成为一项亟待解决的技术挑战。
面对这些挑战，研究人员开始将超声振动技术引入到Cf/SiC复合材料的铣削加工中。 超声振动辅助铣削（UVAEM）是一种将超声振动与传统铣削相结合的先进加工方法。 在这种加工方式下，刀具除了旋转切削运动外，还叠加了高频（通常为20kHz左右）、小幅度（微米级）的超声振动，改变了工具与工件的接触状态和材料去除机制。 超声振动辅助铣削技术在理论上具有多方面的优势：首先，周期性的分离接触可减小平均切削力，降低加工热量，减轻刀具磨损；其次，高频振动可促进材料的微观脆性断裂，有助于改善硬脆材料的材料去除效率；再次，合适的振动参数可以改善加工表面质量，减少加工缺陷。 然而，超声振动参数特别是振幅大小对Cf/SiC复合材料加工质量和损伤的影响机理尚未完全明确，亟需系统研究。 超声振幅的工艺效应 超声振动辅助铣削技术为解决Cf/SiC复合材料加工难题提供了新思路，但如何选择合适的超声振幅参数成为影响加工效果的关键因素。 Wang等人对不同超声振幅下的工艺特性进行了系统研究，实验采用双刃聚晶金刚石（PCD）刀具，在DMG公司的Ultrasonic 70数控机床上进行。 实验中使用了激光位移传感器（Keyence LKH-025）测量不同功率下刀具端面的超声振幅，刀具与超声工具杆的共振频率为23.798kHz，通过调节输出功率可以获得1.5μm、3.0μm、4.5μm和6.0μm四个不同振幅。表面粗糙度是评价加工质量的重要指标。 研究发现，随着超声振幅的增加，Cf/SiC复合材料的表面粗糙度呈现先减小后增大的变化趋势。 在常规铣削（无超声振动）条件下，表面粗糙度Sa值为3.563μm；当引入超声振动后，表面粗糙度开始下降，在振幅为3μm时达到最小值3.293μm，比常规铣削降低了约7.6%；但当振幅继续增大到6μm时，表面粗糙度Sa值反而上升至4.044μm，出现了明显的凹坑和纤维断裂区域。 这种变化趋势源于材料去除机制的转变。通过三维表面形貌观察可以看到，常规铣削下，经向纤维束呈阶梯状断裂，表面整体较为平整；而当引入适当的超声振动时，材料以微观脆性断裂方式被去除，表面质量得到改善。 然而，当超声振幅过大时，材料去除机制转变为宏观脆性断裂，导致加工表面出现更大的缺陷和粗糙度。 这主要是因为在Cf/SiC复合材料中，碳化硅基体比碳纤维更脆，拉伸强度更低，在加工过程中首先在基体中产生裂纹，而超声振动的引入则导致纤维脆性断裂。 为了深入了解超声振动对表面微观形貌的影响，研究人员使用扫描电子显微镜（SEM）对经向纤维束和纬向纤维束的表面进行了观察。
结果显示，经向纤维束表面的主要微观缺陷包括纤维微断裂、界面脱粘、宏观脆性断裂和纤维断裂等。 在常规铣削下，经向纤维以阶梯状断裂，纤维和界面断裂较为明显；当引入超声振动后，纤维局部断裂和脱粘，断裂面不均匀；当超声振幅为3μm时，界面脱粘比例增加，纤维主要以剪切断裂为主；随着超声振幅继续增加，经向纤维束的表面质量变差，局部断裂、宏观断裂和界面脱粘缺陷增加，脱粘后在加工表面形成孔洞；当超声振幅达到6μm时，表面质量最差，纤维去除主要基于宏观突然断裂。 纬向纤维束表面的主要缺陷则是孔洞、纤维拔出和断裂。常规铣削下，纬向纤维束表面有一些纤维碎片、小孔洞和纤维外露；当超声振幅为1.5μm时，表面出现大孔洞和一些断裂的纤维，这些大孔洞是由于超声振动辅助铣削过程中纤维弯曲和断裂造成的，许多纤维在孔洞中被拔出；随着超声振幅增加到3μm，纬向纤维束上纤维的主要断裂模式为剪切断裂，与振幅为1.5μm时相比，纤维表面更平，大孔洞缺陷减少；当振幅为4.5μm和6μm时，纤维主要通过宏观脆性断裂被去除，在超声作用下刀具和材料被挤压，纤维受到弯曲断裂和剪切断裂，剪切断裂后的纤维断裂面相对平整，但弯曲断裂后的纤维高度不同，形成凹坑，进一步增加了表面粗糙度。 铣削力的变化是理解加工机理的重要指标。实验数据显示，随着超声振幅的增加，铣削力明显降低。在常规铣削条件下，法向铣削力约为11.5N；当引入超声振动并逐步增加振幅时，铣削力不断下降，在振幅为6μm时降至约3.2N，比常规铣削降低了约72%。 这种现象有两个主要原因：首先，超声振动铣削中刀具沿纵向振动，与工件表面周期性接触和分离，减小了铣削力；其次，裂纹扩展所需的能量主要来自外部机械能，在一定能量范围内，超声振动可以为裂纹扩展提供额外的机械能，从而减小材料去除过程中原本所需的机械负荷。 铣削力特性曲线也呈现出显著特点。当刀具刚开始铣削时，铣削力迅速增大；当稳定铣削开始后，铣削力逐渐稳定，但存在许多＂锯齿状＂波动，出现上下突变。 这主要是由于Cf/SiC复合材料的编织结构、异质性和各向异性导致的。此外，材料中存在一些孔隙，这导致超声振动辅助铣削过程中沿进给方向和铣削深度方向的材料性能不均匀。 损伤检测与评估 亚表面损伤（SSD）是影响Cf/SiC复合材料性能和使用寿命的关键因素，但由于其隐藏于表面之下，难以直接观察，因此需要特殊的检测方法和评估标准。Wang等人采用了横截面显微镜观察法来检测不同超声振幅下加工样品的亚表面损伤情况。 这种方法的原理是通过对样品进行精细研磨和抛光，显露出内部结构，然后使用扫描电子显微镜观察损伤形态和分布。 具体的样品准备过程十分精细：首先，将样品在抛光机上用90μm砂纸研磨20分钟；然后依次更换45μm、30μm、15μm、9μm、3μm和1μm砂纸，每种砂纸研磨10分钟，同时用去离子水冷却；研磨后，在抛光机上更换抛光垫，使用0.2μm粒径的金刚石抛光液抛光20分钟；最后，将样品依次放入含无水乙醇和去离子水的超声清洗器中各清洗10分钟，再用高压气枪吹干表面。
这种精细的准备过程确保了亚表面损伤观察的准确性和可靠性。 通过扫描电子显微镜观察发现，常规铣削和超声振动辅助铣削中Cf/SiC复合材料的亚表面损伤主要表现为纤维拔出、亚表面裂纹、裂纹扩展和加工凹坑。 由于Cf/SiC复合材料中经向和纬向纱线交织，亚表面损伤的分布随着不同的纤维取向而变化，但主要的损伤形式是基体开裂。 沿着纤维方向的亚表面损伤主要表现为纤维拔出、加工凹坑和基体裂纹。纤维拔出的深度约为10μm，加工凹坑呈＂倒三角形＂。 此外，在加工表面的基体区域存在片状微裂纹，但这些裂纹并不延伸到纤维区域，主要在基体中扩展。 而垂直于纤维方向的亚表面损伤主要是裂纹和加工凹坑。基体中的裂纹尖端逐渐延伸到界面层及沿界面层偏转，裂纹继续在界面层中扩展，很少延伸到纤维中。
这表明界面层由于纤维-基体界面的增强和韧化作用阻挡了裂纹尖端。 总体来说，亚表面损伤中的基体开裂和纤维拔出受到纤维方向的影响。 为了定量表征超声振动辅助铣削Cf/SiC复合材料的亚表面损伤，研究人员建立了三个损伤因子：纤维拔出深度Hf-p、亚表面界面裂纹深度Hc和凹坑面积Sp。 这些参数的具体含义如下：纤维拔出深度Hf-p表示纤维从基体中被拉出的最大距离；亚表面界面裂纹深度Hc表示从加工表面到最深裂纹尖端的垂直距离；凹坑面积Sp则是表面凹陷区域的二维面积。 基于上述亚表面损伤因子，研究人员分析了不同超声振幅对Cf/SiC复合材料亚表面损伤的影响。 结果显示，在常规铣削条件下，纤维拔出深度Hf-p约为34.52μm，亚表面界面裂纹深度Hc约为88.97μm，凹坑面积Sp约为2542.94μm²。 当引入超声振动后，加工表面粗糙度开始降低，亚表面损伤也没有增加，纤维拔出现象减少。 当超声振幅为3μm时，Hf-p约为20.34μm，凹坑的数量和面积也减少。基体区域的裂纹较为严重，但纤维区域的Hc减小。 界面主要起到均匀传递基体和纤维之间载荷的作用，在切削力作用下，加工裂纹会在界面处分叉和偏转，应力在裂纹尖端被消耗。 但由于界面裂纹扩展的随机性，纤维在加工表面会剥落和断裂。 因此，在加工Cf/SiC复合材料时，应尽量减小亚表面界面裂纹深度。 当超声振幅增加到6μm时，表面质量恶化，纤维区域的表面损伤呈＂锯齿状＂，但损伤深度减小，裂纹和凹坑等缺陷主要集中在自由硅区域。 此外，随着超声振幅的增加，基体区域裂纹的宽度也增加。 亚表面损伤的形成机理可以从三个方面来理解：纤维拔出、亚表面裂纹和加工凹坑。 在铣削力的作用下，Cf/SiC复合材料同时受到剪切、压缩和应力集中的作用。 在工具与工件间干涉产生的应力下，SiC基体产生横向裂纹/径向裂纹并扩展，导致基体的脆性断裂。 同时，当基体裂纹延伸到具有高断裂韧性的纤维时，由于缺乏基体的刚性支撑，纤维断裂并从基体中拔出。 亚表面裂纹形成的机理是，在铣削过程中，工具对材料施加的加工应力增加到一定程度时，材料内部会出现微裂纹。
界面主要起到在基体相和增强相之间均匀传递载荷的作用。在铣削力的作用下，加工裂纹在界面处发生分叉和偏转。 加工凹坑的形成主要有两种情况：一方面，由于Cf/SiC复合材料本身内部存在孔隙，在铣削过程中工具碰巧经过材料固有的孔隙，导致加工表面出现加工凹坑；另一方面，由于Cf/SiC复合材料的异质性、各向异性和脆性，在铣削过程中工具对材料施加的加工应力超过Cf/SiC复合材料的强度极限，材料内部出现微裂纹。 而基体与纤维之间的界面结合强度相对较低，裂纹容易沿着界面传播，导致Cf/SiC复合材料局部块状剥离和破碎，形成明显的加工凹坑。 总体而言，超声振幅对抑制Cf/SiC复合材料的亚表面损伤有显著影响，可以减少纤维拔出和加工凹坑缺陷。 但过大的振幅会加剧基体区域的开裂，这是由于MI制备过程中过量的自由硅和SiC沉积不密实造成的。 因此，选择合适的超声振幅对于控制Cf/SiC复合材料的亚表面损伤至关重要。 损伤形成机理 理解超声振动辅助铣削Cf/SiC复合材料过程中损伤的形成机理，对于优化加工工艺参数、提高加工质量具有重要意义。 通过系统研究不同损伤形式的产生过程，Wang等人揭示了纤维拔出、亚表面裂纹和加工凹坑三种主要损伤的形成机制和控制方法。 纤维拔出是Cf/SiC复合材料加工中常见的表面损伤形式。在铣削力作用下，Cf/SiC复合材料同时承受剪切、压缩和应力集中。 具体的形成过程可分为以下几个步骤：首先，工具与工件之间的干涉产生应力，导致SiC基体中产生横向裂纹和径向裂纹；随后，这些裂纹在应力作用下扩展，导致基体发生脆性断裂；当裂纹延伸至断裂韧性较高的碳纤维时，由于缺乏基体的刚性支撑，纤维会先断裂，然后在铣削力的作用下从基体中被拔出。 这种现象在常规铣削中表现得尤为明显，纤维拔出深度可达34.52μm。加入适当的超声振动后，纤维拔出现象得到明显改善。当超声振幅为3μm时，纤维拔出深度降至约20.34μm，比常规铣削减少了约41%。 这主要是因为超声振动改变了材料去除机制，促进了微观脆性断裂的发生，使纤维在靠近表面处就发生断裂，而不是深入基体内部较远距离才断裂。
此外，超声振动还可以减小平均切削力，减少对纤维的拉拔作用，从而降低纤维拔出的可能性。亚表面裂纹的形成机理更为复杂，涉及材料内部应力分布和界面相互作用。 在铣削过程中，工具对材料施加的加工应力随着切入深度的增加而积累，当应力达到材料的强度极限时，会在材料内部产生微裂纹。 这些初始微裂纹主要出现在强度较低的基体区域，随后在切削力的持续作用下扩展。 Cf/SiC复合材料的界面层（PyC界面）在裂纹扩展过程中起着关键作用。界面层主要负责在基体相和增强相（纤维）之间均匀传递载荷。 当裂纹扩展到界面层时，会发生两种情况：一种是裂纹被界面层阻挡，无法进一步扩展；另一种是裂纹沿着界面层发生偏转和分叉，改变扩展方向。 实验观察表明，垂直于纤维方向的裂纹主要沿着界面层传播，很少直接穿过纤维。
这是因为PyC界面层与基体和纤维的结合强度相对较低，成为裂纹扩展的优先路径。 超声振动对亚表面裂纹的影响具有双面性。一方面，合适的超声振幅（如3μm）可以减小纤维区域的亚表面裂纹深度；另一方面，过大的超声振幅会加剧基体区域的开裂，使裂纹宽度增加。 这种现象与材料制备工艺有关，由于＂熔融渗透＂过程中可能存在过量的自由硅和SiC沉积不密实的问题，导致基体区域的裂纹敏感性增强。 加工凹坑是Cf/SiC复合材料表面常见的第三种损伤形式，其形成主要有两种途径。 第一种是由于材料本身存在的孔隙造成的。Cf/SiC复合材料在制备过程中，特别是采用化学气相渗透和熔融渗透工艺时，难以完全消除内部孔隙。 当铣削工具恰好经过这些固有孔隙时，就会在加工表面形成凹坑。实验观察显示，这些凹坑通常呈现不规则形状，边缘平滑，深度与原始孔隙尺寸相关。 第二种加工凹坑的形成机制与材料的异质性和脆性特点有关。
在铣削过程中，当工具对材料施加的应力超过材料的强度极限时，会在材料内部产生微裂纹。 由于Cf/SiC复合材料中基体与纤维的界面结合强度相对较低，这些裂纹容易沿着界面传播，导致材料发生局部块状剥离和破碎，形成明显的加工凹坑。 这类凹坑通常呈＂倒三角形＂，边缘较为锐利，内部可能存在断裂的纤维残留。超声振动对加工凹坑面积的影响也很显著。 在常规铣削条件下，凹坑面积Sp约为2542.94μm²；当超声振幅为3μm时，凹坑面积减少至约1633.38μm²，减少了约36%。 这主要是因为适当的超声振动可以减轻材料的异质性对加工过程的影响，使材料去除更加均匀，从而减少大面积块状剥落的发生。
通过对三种主要损伤形式形成机理的深入研究，可以得出超声振动辅助铣削Cf/SiC复合材料的最佳工艺参数范围。 合适的超声振幅（约3μm）可以显著改善材料表面质量，减少纤维拔出和加工凹坑面积，同时抑制亚表面损伤的扩展。 然而，过大的超声振幅（如6μm）会导致材料去除机制从微观脆性断裂转变为宏观脆性断裂，加剧基体区域开裂，降低表面质量。
此外，超声振动频率、铣削速度和进给量等参数也需要与超声振幅协同优化，以获得最佳的加工效果。 研究表明，在23.798kHz的超声频率下，切削速度为100m/min，切削深度为30μm，每齿进给量为0.018mm/z的条件组合，结合3μm的超声振幅，可以获得较好的表面质量和较低的亚表面损伤。 参考资料 Wang， Z.， Dong， Z.， Bao， Y.， Ran， Y.， & Kang， R. （2024）. Milling Characteristics and Damage Assessment of Ultrasonic Vibration-Assisted End Milling Cf/SiC Composites. Chinese Journal of Mechanical Engineering， 37（170）， 1-17. Yuan， S. M.， Li， Z.， Zhang， C.， et al. （2018）. Research into the transition of material removal mechanism for C/SiC in rotary ultrasonic face machining. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 95（5-8）， 1751-1761. Chen， J.， Ming， W. W.， An， Q. L.， et al. （2020）. Mechanism and feasibility of ultrasonic-assisted milling to improve the machined surface quality of 2D Cf/SiC composites. Ceramics International， 46（10）， 15122-15136. Yin， J. F.， Xu， J. H.， Ding， W. F.， et al. （2022）. Feasibility of polarized laser scattering in detecting the grinding-induced subsurface damage in SiCf/SiC ceramic matrix composite. Composite Structures， 291， 115660.
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