磨料水射流（AWJ）盲加工2D编织氧化物陶瓷基复合材料（OCMC）：加工深度与表面质量的实验与建模分析

《International Journal of Applied Ceramic Technology》：Abrasive Waterjet Blind Machining of a 2D Woven Oxide Ceramic Matrix Composite: Depth and Surface Quality Analysis

　　

氧化物陶瓷基复合材料（oxide ceramic matrix composites, OCMCs）因其低密度、更高的使用温度和低膨胀系数，是民用航空发动机部件的有前景材料。由于脆性和非均质微观结构，加工这些材料仍然具有挑战性。磨料水射流（abrasive waterjet, AWJ）加工已成为切割此类硬质材料的常用工艺，但盲加工仍处于开发阶段。本研究成功证明了AWJ盲加工2D编织OCMCs的可行性。研究人员实现了实验设计，以分析三个工艺参数，即水射流压力（water jet pressure, P）、扫描步距（scan step, SS）和磨料流量（abrasive flow rate, AFR），对加工深度及一些预选粗糙度准则的影响。基于加工参数的指数模型（exponential model）被证明适合拟合加工深度，在95%置信水平下最大偏差为36 μm。此外，研究人员利用共聚焦显微镜（confocal microscopy）和扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）观察进行了定性表面质量分析。将形貌图与其相应加工深度匹配，可分析材料去除机制。研究结果表明，表面质量既受加工参数影响，也受OCMCs非均质性固有的局部纤维-基体比影响。

研究背景方面，航空领域的重要挑战之一是提高民用航空发动机效率，尤其是开发能承受更高发动机工作温度并尽量减轻重量的材料。氧化物陶瓷基复合材料（oxide ceramic matrix composites, OCMCs）因低密度、更高的使用温度和低膨胀系数，被视为民用航空发动机部件的有前景候选材料，例如后体、喷嘴和塞锥。这类部件在制造或服役中可能受到冲击，导致损伤并显著降低力学和气动性能。此前安全要求通常更换损伤件，这意味着耗时且昂贵的新部件制造。修复工艺被视为降低成本和材料需求的替代工业方案。在复合材料结构修复中，逐层加工去除损伤区并添加复合补片，已用于聚合物基复合材料（polymer matrix composites, PMCs）并成为认证程序。将这一过程扩展到OCMCs需要掌握加工过程，以避免修复区出现不可控附加损伤；尤其需要盲加工来增加补片/基体界面面积，同时尊重铺层各向异性方向。陶瓷基复合材料（ceramic matrix composites, CMCs）加工主要涉及切削刀具加工和磨削。传统加工非各向同性非均质材料极为复杂，纤维方向与进给方向之间角度变化会影响表面完整性和加工质量均匀性；复合材料传统加工还会产生细颗粒粉尘，可能危害操作人员健康，且难以消除。此外，在表面质量与加工效率之间取得最佳平衡仍然困难。AWJ加工复合材料具有优势：粉尘被水流带走，降低有害颗粒物扩散；射流通常垂直于加工表面和纤维，因而对纤维方向依赖性低；产生热量可忽略，避免热降解；切削力很低，约10 N；且对于铺层波纹，AWJ比传统加工更容易在非平坦表面上获得恒定切深。AWJ已成为切割CMCs的常用工艺，但文献中盲加工尚未应用于CMCs。因此，本研究针对一种新型2D编织OCMC，研究AWJ盲加工可行性、加工深度与表面质量。

研究人员开展了基于实验设计的AWJ盲加工研究，分析主要加工参数对切深、加工质量和表面形貌的影响。研究得出，AWJ盲加工2D编织OCMC可行；幂律模型可较好预测加工深度；表面质量未能与P、V和AFR直接相关，但与加工深度相关，并更受材料微观结构影响。研究意义在于首次表征该新型2D编织OCMC的AWJ盲加工，证明逐层盲加工可实现，为将AWJ修复应用扩展到OCMCs铺平道路。

关键技术方法概述如下：2D编织OCMC由Safran Ceramics (France)提供并生产，增强纤维为Nextel 610氧化铝纤维（3M），磨料为120 mesh石榴石（Wuxi Ding Long Minerals Co. Ltd., China）。机床为Flow International Mach 4c五轴Dynamic Waterjet，Hyplex泵最大压力3800 bar；固定扫描步距（scan step, SS）0.75 mm、靶距（standoff distance, SOD）100 mm、喷嘴直径0.3 mm。实验设计采用Taguchi L9正交表，考察水射流压力（P）、扫描速度（V）和磨料流量（AFR），后增设V=9.4 m/min水平，共38次试验、13种配置，12种用于建模，1种验证。表征使用Olympus LEXT OLS5100激光扫描共聚焦显微镜测深度、凹坑体积（crater volume, Cv）和算术平均高度（arithmetical mean height, Sa），FEI Nova NanoSEM在低真空背散射电子（backscattered electron, BSE）模式观察，二维快速傅里叶变换（two-dimensional fast Fourier transform, 2D-FFT）识别铺层取向。

研究结果中，3.1 加工深度（Machined Depth）显示：3.1.1 加工参数对加工深度的影响（Influence of the Machining Parameters on the Machined Depth）方面，13种AWJ加工条件获得的加工深度为100至540 μm。加工深度在高压、低扫描速度和低磨料流量时最大；在低压、低磨料流量和高扫描速度时最小。压力从35 MPa增至45 MPa使加工深度H增加74%；扫描速度从10 m/min增至20 m/min使H降低56%；AFR影响远弱于压力和扫描速度。方差分析（analysis of variance, ANOVA）表明，P和V对H有强影响，p值分别为3.0 × 10^?17和2.1 × 10^?19，均小于0.05；AFR影响较低，p值为5.7 × 10^?4，也小于0.05。P、V和AFR对加工深度变化的贡献分别约为35.3%、51.7%和10.3%。3.1.2 幂律（Power Law）方面，研究人员采用幂律模型拟合H与P、V、AFR及固定参数系数λ的关系；95%置信区间约为±36 μm。V的指数接近?1，符合理论预期；模型决定系数R²为0.97，验证点位于95%置信区间中心。因此，该模型可用于预测2D编织OCMC逐层盲加工深度；且多组参数可达到给定目标深度。

3.2 表面质量（Surface Quality）显示：3.2.1 表面特征定性分析（Qualitative Analysis of Surface Distinctive Characteristics）通过SEM识别出纤维断裂、基体中纤维印痕即纤维拔出，以及磨料颗粒嵌入OCMC等局部特征，类似AWJ加工PMCs中报道的宏观凹坑、断裂纤维和嵌入磨料。3.2.2 加工参数对纹理准则Cv和Sa的影响（Influence of the Machining Parameters on Texture Criteria Cv and Sa）表明，压力从35 MPa增至45 MPa使Cv平均增加28%、Sa平均增加33%；扫描速度和AFR对Cv和Sa影响可忽略。ANOVA显示，P和V对Cv和Sa均有不可忽略影响，p值小于0.05；AFR对Cv有统计显著影响，p值为2.4 × 10^?3，但对Sa无统计显著影响，p值为0.11。Cv和Sa测量变异系数分别为24.8%和38.2%，可能与材料本征孔隙及磨料嵌入纤维间有关。3.2.3 幂律（Power Law）方面，研究人员用幂律模型描述Cv和Sa，并加入常数代表未加工材料表面值，即Cv为0.329 mm³/cm²、Sa为6.57 μm。模型R²表明AWJ参数与Sa和Cv相关性较差，预测标准差分别为0.24 mm³/cm²和10 μm，对应扫描值范围的35%和45%。因此P、V和AFR不能显著解释Cv和Sa。3.2.4 表面粗糙度与加工深度的关系（Relation Between Surface Roughness and Machined Depth）显示，Cv和Sa随加工深度增加而增加；根据2D-FFT识别的齐平铺层取向，将深度值分为四类：类别（1）为仅观察到0°/90°单层，类别（3）为仅观察到?45°/+45°单层，类别（2）和（4）为观察到多层。类别（1）到类别（3）间，Cv约从0.8增至1.1 mm³/cm²，Sa约从15增至25 μm。但数据分散，无法确定该趋势是线性、阶梯式还是渐近式；超过400 μm加工深度的数据不足。3.2.5 单道和双道切口加工（One-Pass and Two-Pass Incisions Machining）显示，单道后获得钟形轮廓，丝束间谷更深，证实基体富集区去除率更高；第二道后对称钟形轮廓深度约为两倍，丝束间谷仍存在且相对平均轮廓的深度大致与单道后相同。这与OCMC基体体积孔隙率22%、主要为纳米孔隙、基体高度易损伤一致。3.2.6 多道加工（Multi-Passes Machining）中，研究人员分析四个类别代表性加工表面的100 mm²区域，该区域来自28道AWJ不同参数加工形成的近平面区域。共聚焦与SEM观察互补。凹坑位于0°和90°丝束之间及经纬交叉区；最深部分为基体富集区，并暴露第二层+45°或?45°纤维；材料去除率取决于AWJ冲击点处的纤维体积分数，基体富集区去除高于纤维富集区。

讨论部分表明，加工深度主要由压力和扫描速度控制，AFR次之；幂律模型适用于加工深度预测，但不适用于Cv和Sa。表面质量与加工深度相关，但更受2D编织OCMC微观结构支配，尤其受局部纤维-基体比影响。有限道次和多道次结果均显示材料去除优先发生在纤维贫乏、基体富集区域，凹坑形成于丝束交叉处，表面质量受材料纤维结构影响大于受加工参数影响。研究结论翻译如下：第一，对于该材料确认了一些既定事实，即AWJ压力和扫描速度对材料去除率及加工深度有很大影响；建立了幂律模型，以P、V和AFR按重要性递减预测加工深度；该模型在95%置信水平下预测加工深度的最大偏差为36 μm。第二，表面质量采用标准粗糙度准则Cv和Sa时，未能与AWJ加工参数P、V和AFR相关联，但观察到其与加工深度相关。第三，定性分析进一步解释了该相关性；有限道次AWJ试验表明材料去除优先发生在纤维贫乏、基体富集区域，并在更高道次下得到确认，凹坑形成于可见铺层编织图案的丝束交叉处；因此表面质量受2D编织OCMC微观结构支配的程度大于受加工参数支配的程度。第四，使用AWJ可实现逐层加工；模型预测加工深度的平均偏差为23 μm，约为铺层厚度的11%；深度低于200 μm时，凹坑在（Oxy）平面范围内的扩展仍然有限；对于PMCs，该工艺广泛用于工业应用尤其是装配和修复，因此本研究为将这些应用扩展到OCMCs铺平道路。第五，关于表面质量与材料纤维结构依赖性的突出发现，预期单向或3D编织复合材料获得的表面质量将显著不同。