《Journal of Materials Research and Technology》：Chip Formation and Surface Integrity in Pulsed Laser–Ultrasonic and Vibration-Assisted Cutting of SiC Particle-Reinforced Aluminum Composites
编辑推荐：
碳化硅颗粒增强铝基（SiCp/Al）复合材料凭借优异的物理力学性能，广泛应用于航空航天、汽车等领域。然而，SiC颗粒与铝基体之间巨大的硬度差异使该类材料难以采用常规切削（CT）加工，常导致颗粒断裂、拔出、界面脱粘及表面完整性恶化。为解决上述难题，研究人员提出一
碳化硅颗粒增强铝基（SiCp/Al）复合材料凭借优异的物理力学性能，广泛应用于航空航天、汽车等领域。然而，SiC颗粒与铝基体之间巨大的硬度差异使该类材料难以采用常规切削（CT）加工，常导致颗粒断裂、拔出、界面脱粘及表面完整性恶化。为解决上述难题，研究人员提出一种融合脉冲激光辐照与超声振动的多能场辅助加工方法，即脉冲激光-超声振动辅助切削（PLUVAT）。采用高速成像技术对比了CT、脉冲激光辅助切削（PLAT）及PLUVAT三种条件下的切屑形成过程，揭示了切屑形貌、裂纹演化及切削力的差异；结合有限元仿真与实验观察，进一步研究了表面及亚表面损伤机理。结果表明，加工方法显著影响切屑形貌与断裂行为，进而决定最终表面完整性。与CT相比，PLUVAT使切削力、表面粗糙度及亚表面损伤深度分别降低26%、74%和67.8%。上述改善与SiC颗粒断裂及界面脱粘减少、亚表面裂纹萌生与扩展受到抑制密切相关。该研究展示了PLUVAT在改善SiCp/Al复合材料可加工性与表面完整性方面的潜力。
一、研究背景与问题
碳化硅颗粒增强铝基（SiCp/Al）复合材料兼具高比刚度、高比强度、良好导热性、耐磨性与耐腐蚀性，在航空航天、生物医学及轨道交通等领域具有广阔应用前景。然而，SiC增强颗粒与铝基体之间巨大的硬度差异，使该材料在常规切削（CT）加工中面临严峻挑战。加工过程中，SiC颗粒易发生断裂、拔出及界面脱粘，刀具挤压还会将颗粒压入铝基体，形成表面凹坑和亚表面裂纹，显著恶化表面完整性。这些缺陷在服役过程中可能成为裂纹萌生源，诱发疲劳或腐蚀失效，限制了材料在高精度、高可靠性场合的应用。
为改善SiCp/Al复合材料的可加工性，超声振动辅助切削（UVAT）与脉冲激光辅助切削（PLAT）等单能场辅助方法受到广泛关注。已有研究表明，UVAT可促进SiC颗粒断裂、抑制亚表面裂纹萌生与扩展；PLAT则能改善表面质量并降低残余应力。然而，单一能场辅助在抑制表面颗粒断裂和缓解刀具磨损方面仍存在局限。近年来，多能场复合加工因能集成多种能场优势而成为研究热点。切屑形成机制是决定切削稳定性与表面完整性的关键因素，但多能场辅助切削复合材料过程中的材料去除机理、动态切屑形成过程及切屑形貌仍缺乏系统研究。为此，研究人员提出结合脉冲激光辐照与超声振动的脉冲激光-超声振动辅助切削（PLUVAT）方法，系统研究其对切屑形成和表面完整性的影响。
二、研究内容与主要结论
研究人员建立了包含精密数控车床、复合能场加工装置和测量系统的实验平台，采用高速摄影、扫描电镜（SEM）、测力仪等手段，对比研究了CT、PLAT和PLUVAT三种条件下SiCp/Al复合材料的切屑形成过程、裂纹演化、切削力及表面完整性，并结合有限元仿真揭示材料去除与损伤机理。实验采用SiC体积分数为45%的SiCp/Al复合材料，工件为直径25 mm、长度35 mm的圆柱试样，刀具为聚晶金刚石（PCD）刀具，前角0°、后角7%、刀尖圆弧半径0.4 mm。主要结论如下：
PLUVAT条件下，SiCp/Al复合材料主要产生连续带状切屑，边缘相对光滑；PLAT产生锯齿状切屑；CT则产生具有明显三角形断裂特征的碎断切屑。激光诱导的热软化增强铝基体塑性变形能力，超声振动改变刀具-切屑接触状态，二者协同促进塑性变形和稳定切屑形成。
PLUVAT产生更大的剪切角，切屑边缘断裂特征减少、裂纹更短，裂纹扩展呈现更明显的方向性，断裂面相对规整，表明复合能场促进了更稳定、可控的断裂行为。
CT切屑呈碎断形貌；PLAT切屑呈明显锯齿结构，剪切区内SiC颗粒局部聚集加剧应力集中，促进锯齿状切屑形成；PLUVAT则产生连续带状切屑，切屑边缘裂纹少，SiC颗粒分布更均匀。
与CT相比，PLUVAT使切削力、表面粗糙度和亚表面损伤深度分别降低约26%、74%和67.8%，显著改善了SiCp/Al复合材料的可加工性和表面完整性。
三、关键技术方法
研究人员采用的主要技术方法包括：一是高速成像技术，使用PCO Dimax HS4高速摄像机（1500帧/秒，600 nm滤光片）原位记录切屑形成动态过程；二是有限元仿真，基于ABAQUS平台通过Python脚本生成随机分布SiC颗粒的复合材料模型，采用Fortran编写的VDFLUX子程序实现移动脉冲激光热源加载，铝基体采用Johnson-Cook（JC）本构模型，SiC颗粒采用线性Drucker-Prager本构模型；三是表面完整性表征，采用SEM观察加工表面形貌和亚表面损伤，结合表面粗糙度测量和截面观察评估亚表面损伤深度。
四、研究结果
3.1 切屑形成过程
高速成像显示，CT条件下切屑易断裂并呈现明显锯齿形貌，相邻锯齿间存在明显剪切断裂。刀具对SiC颗粒的压缩作用将局部应力传递给周围铝基体，硬质颗粒诱导基体局部变形和撕裂，促进裂纹萌生与扩展，加速切屑断裂，因此CT切屑主要为碎断的不连续段。PLAT条件下切屑仍以锯齿形貌为主，但单个切屑段内剪切裂纹数量减少、锯齿间距减小，激光局部加热软化铝基体、增强塑性流动能力，改善了切屑连续性。PLUVAT条件下，锯齿形貌几乎消失，仅观察到少量剪切裂纹，激光热软化与超声振动的协同作用降低了材料表面硬度、增强了塑性变形能力，超声振动引入准间歇切削过程，缓解了刀具、SiC颗粒与铝基体间的机械相互作用，抑制了裂纹萌生与扩展，最终形成连续带状切屑。
3.2 裂纹形成过程
CT过程中，刀具与工件接触后迅速压缩剪切材料，在压剪联合载荷下产生微裂纹，裂纹沿不规则路径扩展，断裂边缘损伤严重，呈现不规则锯齿状裂纹。PLAT条件下裂纹数量减少，断裂面边缘相对规整光滑。PLUVAT条件下断裂边界相对平滑，裂纹主要沿剪切断裂方向扩展，其他方向裂纹罕见，表明复合能场使断裂行为呈现更明显的方向约束性，有助于减少不规则断裂和加工损伤。
3.3 切屑表面形貌
SEM观察显示，CT切屑呈碎断卷曲形貌，抛光截面呈现明显锯齿结构和大量向刀具-切屑接触界面延伸的裂纹。PLAT切屑呈较连续的带状形貌，但部分区域仍有锯齿特征，相邻锯齿高度差减小，切屑自由表面可观察到颗粒聚集现象，这与激光加热增强基体塑性流动、促进SiC颗粒重新分布有关。PLUVAT切屑以带状形貌为主，锯齿不明显，仅切屑边缘存在少量微裂纹，裂纹密度低、切屑连续性好。研究人员还建立了考虑激光诱导温度梯度的切屑形成模型，解释了热梯度对铝基体塑性流动、SiC颗粒分布及切屑形貌的影响机制。
3.4 切削力分析
切削力对比结果表明，主切削力大小顺序为CT > PLAT > PLUVAT。PLAT较CT降低主切削力约10%，归因于激光加热热软化铝基体、增强塑性变形能力，降低了材料去除阻力。PLUVAT较CT降低主切削力约26%，超声振动引起刀具-工件接触周期性变化，改变SiC颗粒局部受力状态，降低颗粒直接剪切断裂概率，进一步减小切削力。
4.1 有限元仿真分析
仿真结果显示，PLAT剪切角略小于CT，PLUVAT剪切角进一步增大且明显小于另外两种条件，与实验观察一致。损伤模拟表明，CT条件下工件表面出现SiC颗粒-基体界面脱粘、颗粒断裂、铝基体撕裂及凹坑等多种损伤；PLAT抑制了界面脱粘、减轻了基体撕裂，但仍存在局部毛刺和凹坑；PLUVAT条件下颗粒断裂和微坑数量少且浅，断裂面相对平整规则，界面脱粘和基体撕裂显著减轻。
4.2 表面形貌分析
表面粗糙度测量显示，CT表面粗糙度约1.435 μm，PLAT降至1.106 μm，PLUVAT进一步降至0.372 μm，较CT降低约74%。SEM观察显示，CT加工表面存在大量划痕和明显SiC颗粒断裂，颗粒-基体界面脱粘或颗粒断裂形成的凹坑大而多。PLAT加工表面界面脱粘和凹坑数量显著减少，但仍存在局部颗粒聚集、断裂和刀具划痕。PLUVAT加工表面颗粒断裂罕见，仅残留少量划痕和浅刀具痕迹，表面质量显著改善。
4.3 亚表面损伤分析
截面SEM观察显示，CT加工后亚表面存在大量较深微裂纹、广泛的SiC颗粒-基体界面脱粘和颗粒断裂。PLAT条件下局部区域出现SiC颗粒聚集和断裂，与激光温度梯度引起的基体软化和颗粒重新分布有关。PLUVAT条件下亚表面仅观察到少量断裂SiC颗粒，超声振动引起的周期性接触改变了刀具、颗粒与基体的机械相互作用，减少了颗粒局部聚集和接触应力，降低了颗粒断裂概率。三种条件下的亚表面损伤深度分别为：CT约67.8 μm、PLAT约46.7 μm、PLUVAT约21.8 μm，PLUVAT较CT降低约67.8%。
五、讨论与结论总结
讨论部分指出，切屑形貌的差异主要源于各能场对材料热机械响应和变形行为的影响。激光辐照在切屑形成区产生温度梯度，靠近辐照表面温度较高，铝基体热软化程度更大，塑性流动能力增强；远离辐照表面温度较低，基体塑性流动受限，SiC颗粒可能在刀具作用下发生旋转或偏转，产生局部界面应力，诱发界面脱粘和基体撕裂。超声振动使刀具-切屑接触呈准间歇性，改变界面摩擦条件，促进切屑沿前刀面流动，减少切屑粘附，缓解刀具、颗粒与基体间的机械相互作用，降低局部界面应力和颗粒-基体脱粘概率。
研究结论如下：
（1）PLUVAT条件下SiCp/Al复合材料主要产生连续切屑且边缘相对光滑，PLAT产生锯齿状切屑，CT产生具有明显三角形断裂特征的碎断切屑。激光诱导热软化和超声振动共同影响材料变形与断裂行为，改善了切屑形成的稳定性。
（2）PLUVAT产生更大的剪切角，切屑边缘断裂特征少、裂纹短，裂纹扩展方向性更明显，断裂面相对规整，有助于改善加工表面质量。
（3）CT切屑呈碎断形貌，PLAT切屑呈明显锯齿结构，剪切区内SiC颗粒局部聚集加剧应力集中；PLUVAT产生连续带状切屑，切屑边缘裂纹少，SiC颗粒分布更均匀，改善了切屑连续性并减轻了断裂损伤。
（4）与CT相比，PLUVAT使切削力、表面粗糙度和亚表面损伤深度分别降低约26%、74%和67.8%。切削力降低主要归因于激光诱导热梯度促进铝基体局部热软化、增强塑性变形能力，超声振动引起刀具-工件接触周期性变化、改变颗粒运动并减轻局部颗粒聚集。PLUVAT为改善SiCp/Al复合材料的可加工性和表面完整性提供了有效途径。
