【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】連續(xù)碳化硅纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料(SiCf/Ti)具有高比強(qiáng)度、高比剛度、耐腐蝕、耐高溫、抗疲勞等優(yōu)異性能，這些屬性使其在航空、航天、汽車和核能等工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍越來越廣。該材料在延性Ti基體中添加高強(qiáng)度、堅(jiān)硬的脆性SiC纖維為材料提供了卓越的性能，但兩相之間性能的巨大差異對SiCf/Ti部件的成型和加工提出了重大挑戰(zhàn)。SiCf/Ti的主要優(yōu)點(diǎn)是通過加入連續(xù)的SiC纖維來增強(qiáng)軸向拉伸強(qiáng)度，這使得優(yōu)異的軸向強(qiáng)度成為其最大的性能優(yōu)勢。因此，在SiCf/Ti組件生產(chǎn)的整個(gè)生命周期中，軸向尺寸通常在坯料制備階段是固定的，隨后的加工旨在減少外部Ti基體的厚度而不損壞纖維。與傳統(tǒng)加工垂直于纖維的端面相比，減薄金屬外層是SiCf/Ti零件加工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而，過大的加工應(yīng)力和顯著的亞表面變形經(jīng)常導(dǎo)致纖維和基體之間的開裂，在嚴(yán)重的情況下，在表面下甚至發(fā)生廣泛的纖維斷裂，通常就會采用保守的加工參數(shù)來保證質(zhì)量，這限制了整體加工效率。以上加工難題對減薄SiCf/Ti復(fù)合材料的高效和低應(yīng)力加工提出需求。
 

圖1 SiCf/Ti加工減薄過程中的變形和開裂
 

　　為解決這一難題，北京航空航天大學(xué)袁松梅教授團(tuán)隊(duì)采用超聲振動加工技術(shù)，探究了超聲切削過程中SiCf/Ti的宏觀變形與微觀演化機(jī)制，驗(yàn)證了超聲振動加工技術(shù)減薄SiCf/Ti的有效性。研究發(fā)現(xiàn)，超聲加工誘導(dǎo)了Ti基體的聲軟化效應(yīng)，從而降低了塑性變形所需的應(yīng)力，高頻應(yīng)力波在亞表面內(nèi)的反復(fù)疊加也增加了亞表面殘余壓應(yīng)力，并相應(yīng)提高了亞表面硬度。在亞表面變形中，超聲加工過程涉及交替加載和卸載循環(huán)。在加載周期中，切削力的減小降低了塑性變形量。在卸載周期中，刀具輕微提升，材料反彈，進(jìn)一步減少變形。超聲加工促進(jìn)SiCf/Ti外層Ti的晶粒細(xì)化，擴(kuò)大了位錯(cuò)影響深度。而在纖維間，超聲加工不僅使鈦的晶粒細(xì)化，同時(shí)降低了位錯(cuò)密度。這是由于超聲加工時(shí)鈦發(fā)生了更強(qiáng)烈的再結(jié)晶，進(jìn)一步細(xì)化了晶粒，降低了位錯(cuò)密度。超聲切削時(shí)α-Ti和β-Ti界面處的應(yīng)力集中也加速了α-Ti向β-Ti的轉(zhuǎn)變。在SiCf/Ti界面處，超聲振動誘導(dǎo)應(yīng)力波傳播，促進(jìn)應(yīng)力場重排、均勻化和動態(tài)再結(jié)晶，這導(dǎo)致了界面上的結(jié)構(gòu)更均勻，產(chǎn)生具有清晰輪廓的超細(xì)晶粒。這些變化減少了基體-纖維界面損傷，并保持了其性能穩(wěn)定。文章還揭示了超聲加工過程中多道次應(yīng)力波在SiCf/Ti亞表面的累積疊加效應(yīng)：應(yīng)力波在晶界處傳遞并衰減，在SiCf/Ti界面處進(jìn)行反射和透射。這一過程導(dǎo)致晶粒細(xì)化、位錯(cuò)激活和湮滅以及動態(tài)再結(jié)晶，最終影響加工過程中的宏觀變形和加工后的微觀組織演變。
 

圖2 部分近加工表面、纖維間基體及界面表征結(jié)果
 

圖3傳統(tǒng)加工和超聲加工作用下SiCf/Ti的亞表面組織變化。
 

　　相關(guān)工作以“How does ultrasonic cutting affect the macroscopic deformation and microstructure evolution offibre-reinforced titanium matrix composites?”為題發(fā)表在機(jī)械制造領(lǐng)域著名期刊《International Journal of Machine Tools and Manufacture》(DOI:10.1016/j.ijmachtools.2024.104245)，博士生王立宇是論文的第一作者，袁松梅教授是該論文的通訊作者。北航袁松梅教授團(tuán)隊(duì)畢業(yè)博士生李麒麟(現(xiàn)清華大學(xué)博士后)、李真(現(xiàn)南方科技大學(xué)副研究員)參與文章部分工作。