超声辅助磨削SiCf/SiC陶瓷基复合材料

针对碳化硅纤维增强陶瓷基复合材料(SiC_f/SiC)存在加工质量差、刀具磨损严重等问题,开展金刚石砂轮端面超声辅助磨削SiC_f/SiC复合材料试验,对比研究超声辅助磨削和普通磨削SiC_f/SiC过程中的磨削力、表面形貌及表面粗糙度,并分析其材料去除机理。结果表明:超声辅助磨削可有效降低磨削力;超声作用能促使SiC纤维断裂,形成较短纤维而被去除,减少了纤维的折断和剥落,提高了其表面加工质量;在纵向振动端面磨削条件下,超声振幅在一定范围内有助于改善其表面加工质量,振幅过大则会导致表面冲击作用过强而使其表面质量降低。      

单颗磨粒划擦SiCf/SiC陶瓷基复合材料的试验研究

为研究SiC纤维(SiC_f)增强SiC陶瓷基复合材料(SiC_f/SiC)的磨削损伤机理,搭建试验平台开展单颗磨粒划擦试验,测量划擦力并观察其表面损伤形式,研究磨粒形状、划痕深度和SiC_f取向对复合材料磨削机理的影响。试验结果表明:SiC_f/SiC陶瓷基复合材料的划擦损伤形式主要有基体崩碎、纤维裂纹、断裂和拔出等。在SiC_f/SiC陶瓷基复合材料划擦过程中,尖锐状磨粒的划擦力更小,且整条划痕的表面损伤范围较扁平状磨粒的小。用扁平状磨粒划擦但纤维取向γ= 0°时,划痕形貌中纤维断裂、纤维拔出等损伤形式出现较少。      

振幅对超声辅助磨削C/SiC复合材料表面形貌的影响

目的 通过超声振动辅助磨削加工技术加工C/SiC复合材料可以改变材料的去除方式,通过改变超声振幅能够提高材料去除率并获得较好的表面质量,从而成为C/SiC复合材料的新型加工方式。方法 采用超声辅助磨削技术对C/SiC复合材料进行加工,通过改变超声振幅,观察C/SiC复合材料在不同切削角度下的纤维去除机理、纤维断裂形式,测量不同切削角度下工件表面粗糙度Sa。结果 磨削过程中C/SiC复合材料的去除方式以脆性去除为主,纤维损伤形式以纤维断裂、纤维破碎为主。增大超声振幅后,纤维断裂形式增大并伴随出现基体破碎现象。随着超声振幅的增大,不同切削角度(0°、45°、90°、135°)下测得的表面粗糙度Sa显著减小,降低约15%~41%。结论 由于超声振动的作用,C/SiC复合材料在不同切削角度(0°、45°、90°、135°)下的材料去除方式发生改变,相比于常规磨削的纤维断裂形式,施加超声振动后,磨削过程中产生的纤维折断和基体破碎被去除,在提高材料去除率的同时,表面质量明显提高。随着超声振幅的增大,不同切削角度(0°、45°、90°、135°)下的表面粗糙度Sa都减小,且减小程度也不同,减小程度由大到小的顺序为45°>135°>90° >0°。     

陶瓷结合剂金刚石砂轮组织结构对其性能的影响

研究单晶硅片磨削用陶瓷结合剂金刚石砂轮的组织结构对砂轮性能的影响,评估砂轮组织结构对砂轮磨损速率、磨床主轴电流、磨削后的单晶硅片表面粗糙度及其表面形貌的影响。试验结果显示:主轴电流随着砂轮组织中孔隙率的增加呈现下降趋势,从最高的7.0 A降低至6.3 A;砂轮的磨损速率则表现出相反的规律,气孔率最大的砂轮的磨损速率是最小的砂轮的近2倍,分别为2.525 2 μm/片和1.423 8 μm/片;砂轮组织结构对磨削后工件的表面粗糙度影响不大,工件的表面粗糙度R_a值分别为7.67、7.47和7.37 nm;但当气孔孔径过大、孔壁变薄时,会造成磨削工件表面出现深划痕,导致硅片磨削质量恶化。      

Cf/C-SiC烧蚀行为及激光复合超声磨削可行性研究

目的 揭示激光与Cf/C-SiC陶瓷基复合材料相互作用机理,分析激光能量密度对材料形性演变的影响规律。提出Cf/C-SiC陶瓷基复合材料激光复合超声磨削加工方案,探究硬脆材料多能场复合加工的可行性。方法 使用不同能量密度的激光束扫描Cf/C-SiC陶瓷基复合材料表面,以明确材料烧蚀行为。在材料表面预制不同间距的平行纹理沟槽,进而对比传统磨削、超声辅助磨削和激光复合超声磨削的加工效果,同时研究不同扫描间距的预制沟槽对磨削效果的影响规律。结果 陶瓷基复合材料(CMC)在激光作用下可呈现2种截然不同的状态,改性状态时材料以氧化等热化学变化为主,样件内出现热影响区和裂纹区。烧蚀状态时材料以热物理和热机械变化为主,样件内出现烧蚀凹坑、重铸层、热影响区和裂纹区。纤维束中界面经整体脱黏后,裂纹向下延伸并发生偏转。基体中的裂纹多起源于纤维界面处,并在扩展过程中发生偏转、分叉。激光烧蚀作用可改变材料的可加工性,有利于后续超声磨削加工。激光复合超声磨削的两方向磨削力相较传统磨削分别减小了51.4%和56.5%,同时表面粗糙度Sa可降低至4.228 μm。结论 激光复合超声磨削可有效降低磨削力和加工表面粗糙度,从而提高加工质量,该方法在实现硬脆材料高质量低成本加工方面具有较大的潜能。     

粗磨粒金刚石砂轮精密磨削工程陶瓷的试验研究

为了实现粗磨粒金刚石砂轮延性域磨削加工SiC陶瓷材料,采用碟轮对粒径为297~420μm的粗磨粒金刚石砂轮进行了精密修整。然后,使用经过修整好的粗磨粒金刚石砂轮对SiC陶瓷进行磨削加工。在此基础上,对不同的砂轮线速度、工件进给速度、磨削切深对SiC陶瓷表面粗糙度和表面形貌的影响进行了研究。试验结果表明:经过精密修整的粗磨粒金刚石砂轮是能够实现SiC陶瓷材料的延性域磨削的,表面粗糙度值Ra达到0.151μm;随着砂轮线速度增大、工件进给速度和磨削切深减小,SiC陶瓷表面的脆性断裂减小,塑性去除增加。     

高体积分数SiCp/Al复合材料平面磨削实验研究

本文使用SiC砂轮和金刚石砂轮对颗粒尺寸大、体积分数高的SiCp/Al复合材料进行了平面磨削实验,研究了磨削深度和工件进给速度对磨削力的影响,并利用扫描电镜对已加工表面形貌进行了研究.结果表明:使用SiC砂轮加工时,磨削力随磨削深度的增加而增大;工件进给速度较低时,磨削力随工件进给速度增加而减小,当工件进给速度超过12...     

C/SiC复合材料磨削的表面/亚表面损伤

采用树脂结合剂金刚石砂轮对二维正交编织结构C/SiC复合材料进行了平面磨削加工实验。通过对磨削加工表面形貌、磨削表面中碳纤维区域的粗糙度、磨削亚表面形貌的分析与测量,对C/SiC复合材料磨削表面/亚表面损伤进行了研究。结果表明:磨削表面中碳纤维损伤形式以阶梯状脆性断裂为主。对于编织方向平行于进给速度方向的纤维区域,脆性断裂尺寸、表面粗糙度受工艺参数影响较小;而对于编织方向垂直于进给速度方向的纤维区域,脆性断裂尺寸、表面粗糙度随进给速度增大无明显变化,但随磨削深度增大而明显增大。碳纤维区域亚表面损伤形式主要为阶梯状脆性断裂,而SiC区域亚表面损伤形式主要为脆性断裂及微裂纹,且损伤程度在实验参数范围内无明显差异。     

小直径砂轮超声振动磨削SiC陶瓷的表面质量研究

用小直径砂轮超声振动磨削和普通磨削加工SiC陶瓷零件,对比研究砂轮线速度、工件进给速度、磨削深度和超声振幅对其磨削表面质量的影响。结果表明:与普通磨削相比,超声振动磨削的磨粒轨迹相互交叉叠加,工件表面形貌更均匀,表面质量更好。由于超声振动时的磨粒划痕交叉会使磨粒产生空切削,因而降低了其磨削力,使磨削过程更加稳定。超声振动磨削的表面粗糙度和磨削力随砂轮线速度和超声振幅的增加而降低,随工件进给速度和磨削深度的减小而降低。且砂轮线速度、工件进给速度较小时,超声振动磨削的效果更明显。      

SiC/Si-Mo-Cr涂层SiCf/SiC复合材料辐照行为

通过浆料涂刷法(Slurry painting,SP)结合化学气相沉积(Chemical vapor deposition,CVD)，在SiC_f/SiC复合材料表面制备了致密的SiC/Si-Mo-Cr复合涂层。采用拉曼光谱、XRD和SEM研究了Si²⁺离子辐照前后涂层的相组成、结构和形貌，并通过三点弯曲试验评估了辐照前后涂层样品的力学性能。结果表明：SiC_f/SiC复合材料在Si²⁺离子辐照后发生结构损伤，如SiC纤维变得更粗糙，PyC界面膨胀以及SiC基体非晶化；而制备好的涂层可以极大地保护SiC_f/SiC复合材料；因此，内部的纤维、界面和SiC基体在Si²⁺离子辐照中都没有出现损伤。辐照后，SiC_f/SiC复合材料在辐照损伤区的界面脱黏和纤维拔出减少，弯曲断口变平，力学性能下降，弯曲强度保持率为80.49%；与之相比，涂层样品在辐照后的弯曲强度保持率更高，达到84.15%。     

CVD金刚石膜激光平整化效率和粗糙度

对化学气相沉积(CVD)多晶金刚石膜进行激光平整化的正交试验,使用场发射环境扫描电子显微镜(SEM)进行形貌分析,激光共聚焦扫描显微镜测量线粗糙度Ra、面粗糙度S_a和切缝锥度,分析激光参数对CVD膜平整化的影响。结果表明：影响切缝锥度的因素依次为脉冲宽度、脉冲频率、进给速度和激光电流,影响线粗糙度Ra的因素依次为进给速度、激光电流、脉冲频率、脉冲宽度。正交试验优化后,当激光电流为64 A、脉冲宽度为400μs、脉冲频率为275 Hz、进给速度为100 mm/min时,可获得最佳的切槽表面形貌。采用该优化参数进行面扫描,测得面粗糙度S_a为11.7μm;进一步增加入射角度至75°时,面粗糙度S_a降低至1.9μm,实际去除效率达到1.1 mm³/min。     

基于响应曲面法的CFRP超声振动辅助磨削工艺参数优化

针对CFRP加工表面高质量和高效率相矛盾的问题，利用响应曲面法建立三维表面粗糙度S_a和表面损伤层深度D_d的二阶回归模型，并采用遗传算法进行多目标优化，获得小的S_a、D_d和最大的材料去除率V_MRR。结果表明:S_a和D_d的回归模型显著、可靠性好，其中进给速度v_f对S_a和D_d的影响最显著，磨削深度a_p、主轴转速n和超声振幅A的影响次之。响应曲面分析结果显示:n?A、v_f?a_p以及v_f?A之间的交互作用对S_a影响显著；n?A、v_f?A、v_f?a_p以及a_p?A之间的交互作用对D_d影响显著。在S_a、D_d和V_MRR权重占比分别为1/5、1/5和3/5的条件下，与中心点结果相比，优化后的S_a降低了11.01%，D_d降低了10.08%，V_MRR提高了62.02%。且在优化工艺参数下的S_a和D_d的试验值与预测值的相对误差绝对值分别为8.25%和9.41%，表明预测模型准确性较高，可用于CRFP超声振动磨削的工艺参数优化和预测。      

SiCf/SiC复合材料原位分析研究进展

原位观测方法能实时、动态、连续地观测SiC_f/SiC复合材料的损伤演变过程,对研究SiC_f/SiC复合材料在服役环境下的安全运行具有重要的学术价值和工程意义。本文介绍了SEM原位观测、X-CT原位观测、TEM原位观测方法的原理及在研究SiC_f/SiC复合材料损伤演变方面的优势、局限性及制样方法,综述了近年来国内外采用SEM、X-CT及TEM 3种原位观测方法分析SiC_f/SiC复合材料微裂纹的萌生、扩展过程及微观结构对于不同外部激励信号的动态响应过程的研究工作。最后指出X-CT原位分析技术研究SiC_f/SiC复合材料的动态损伤是未来的主要发展方向。     

Effects of Cr and Al Contents on the Preparation of SiC Fiber-Reinforced NiCrAl Alloy Matrix Composite

In this work, the effects of Cr and Al contents on the preparation of SiC fiber-reinforced NiCrAl alloy matrix composites (SiC_f/Ni-20Cr-5Al, SiC_f/Ni-15Cr-5Al, SiC_f/Ni-10Cr-5Al and SiC_f/Ni-10Cr-3Al) were thoroughly discussed. The composites were prepared by vacuum hot pressing process using matrix-coated fibers. It was found that Cr solute atoms played a significant role in retarding the recrystallization of NiCrAl alloy matrix, and the Al elements in the form of γ′-Ni₃Al phase had a suppression effect on the plastic flow of the matrix. Therefore, the reduction in Cr and Al contents was conductive to the recrystallization and plastic flow of NiCrAl alloy matrix, thereby reduced the size and number of micro-voids in the composite. In addition, this work provides some guidance for designing and manufacturing reasonable SiC fiber-reinforced Ni alloy matrix composites.     

SiCp/Al复合材料超声振动研磨工艺研究

针对SiCp/Al材料传统研磨方法加工困难,研磨工具磨损快,加工后难以获得高质量表面等问题,采用超声振动研磨加工方法可以显著改善其加工效果。通过对单磨粒的超声振动轨迹进行分析,得出其运动轨迹为空间椭圆形,可实现磨粒与工件间歇性的接触加工;采用树脂结合剂金刚石磨头对SiC体积分数为40%的SiCp/Al材料进行超声振动研磨加工试验,在不同的主轴转速n、进给速度v和研磨深度a_p以及磨料粒度d下,利用单因素试验法对工件进行研磨,检测加工后工件表面粗糙度,得出各工艺参数对工件表面粗糙度S_a值的影响规律。结果表明:超声振动研磨后的工件表面粗糙度S_a值相较于普通研磨后的79 nm下降为45 nm;超声振动研磨后工件表面粗糙度随n的增大先减小后增大,转速为1 800 r/min时,粗糙度值最小;工件表面粗糙度随v和a_p的增大而增大,随着d的减小而减小。并得出试验参数内的最优参数组合为:n=1 800 r/min,v=5 mm/min,a_p=1 μm,d=4.5 μm。      

钎焊磨头修整量化及磨削性能研究

基于有效磨粒数的概念和表面粗糙度的计算方法,分别提出有效修整率N_r和修整离散度H等2种表征指标来评价磨粒表面形貌变化特征。分析磨头修整过程中N_r和H的变化规律,并与修整后磨削碳纤维增强树脂基复合材料(carbon fiber reinforced plastics,CFRP)的表面粗糙度以及磨削力建立联系。试验结果表明:N_r可以有效表征磨头磨粒的修整状态,反映磨头的钝化程度;H可以有效表征磨头磨粒的等高性,可以通过H预测CFRP表面的加工质量。当H处在18～25 μm时,磨头具有最好的工件磨削表面质量,并且在这阶段磨头磨削力增长幅度较小,磨头磨削能力较好。      

Experimental studies on drilling tool load and machining quality of C/SiC composites in rotary ultrasonic machining

Carbon fiber reinforced silicon carbide matrix (C/SiC) composites have great potential in space applications because of their excellent properties such as low density, superior wear resistance and high temperature resistance. However, the use of C/SiC has been hindered seriously because of its poor machining characteristics. With an objective to improve the machining process of C/SiC composites, rotary ultrasonic machining (RUM) and conventional drilling (CD) tests with a diamond core drill were conducted. The effects of ultrasonic vibration on mechanical load and machining quality were studied by comparing the drilling force, torque, quality of holes exit and surface roughness of drilled holes between the two processes. The results showed that the drilling force and torque for RUM were reduced by 23% and 47.6%, respectively of those for CD. In addition, the reduction in drilling force and torque decreased gradually with increasing spindle speed, while they changed slightly with increasing feed rate. Under identical conditions, RUM gave better holes exit than CD. Moreover, because of the lower lamellar brittle fracture and pit originating from carbon fibers fracture, the roughness of surface of drilled holes obtained with RUM was lower than CD and the maximum reduction was 23%.