激光辅助超声磨削 Cf/SiC 复合材料的材料去除行为及多目标优化研究

《Optics & Laser Technology》：Research on material removal behavior and multi-objective optimization of laser assisted ultrasonic grinding of C f/SiC composites

　　

• •
  激光辐照显著降低了 Cf/SiC 复合材料的机械性能。
• •
  激光辐照可将基体和纤维的硬度降低超过 50%。
• •
  激光辐照可使压痕损伤面积增加高达 6.39 倍。
• •
  与传统磨削相比，LAUG 将纤维碎屑的长度减少了 54.55%。

引言

随着航空发动机推重比的不断提高，涡轮外环、导叶和燃烧室等耐热部件需要在极高温度下稳定运行更长时间 [1], [2], [3]。这对材料的高温性能和轻量化设计提出了严格要求 [4], [5]。传统高温合金的温度耐受性接近其物理极限，难以满足下一代航空发动机的高性能要求 [6], [7], [8]。陶瓷基复合材料 (CMC) 由于其优异的高温机械性能、良好的高温稳定性和相对较高的比强度，被认为是下一代航空航天设备热端部件的首选材料 [9], [10], [11]。然而，CMC 是典型的难加工材料，具有高硬度和脆性、强各向异性和非均匀性 [12], [13] 的特征。在使用金刚石工具对 CMC 进行铣削和磨削时，经常观察到典型的加工诱导缺陷，包括毛刺形成、崩边、纤维拔出和纤维分层。同时，高磨削力和严重的刀具磨损进一步限制了加工精度，使其难以满足精密加工的要求 [14], [15], [16]。此外，电火花加工、超声磨削和高速磨削等先进技术也在加工 CMC 时面临诸多局限 [17], [18]。因此，CMC 精密加工技术的突破已成为一个日益重要且广泛研究关注的焦点领域。

激光辅助加工 (LAM) 可以利用高能量激光束诱导待加工区域材料机械性能的退化 [19], [20]，从而有效提高后续机械加工的 surface quality 和加工效率。它已被公认为实现难切削材料高质量和高效率加工的有效方法 [21], [22], [23]。为了实现高质量、高效和可靠的 LAM，研究人员已经调查了该过程中的材料去除行为和失效机制。Zhou 等人 [24], [25], [26] 表明，在 C_f/SiC 复合材料的激光烧蚀辅助磨削过程中，材料去除主要涉及基体的塑性去除以及纤维和基体的微裂纹。此外，随着激光扫描间距和磨削深度的增加，脆性去除特征变得更加明显。Niu 等人 [27], [28] 进一步证实，在 C_f/SiC 复合材料的激光辅助超声磨削过程中，纤维主要通过弯曲断裂和剪切断裂去除，而基体主要通过粉碎诱导断裂去除。同样，Li 等人 [29] 报告说，在 3D C/C-SiC 复合材料的激光辅助磨削过程中，激光诱导的热效应促进了材料去除模式的转变，抑制了脆性断裂的程度，并诱导了局部塑性去除特征。同时，关于激光辅助加工工艺的相关研究也得到了广泛进行。Wu 等人 [30] 通过 SPSS 分析，揭示出在激光辅助磨削中，激光辐照次数对氮化硅陶瓷的表面粗糙度影响最为显著，其次是激光功率，而激光扫描速度的影响相对最小。Zhang 等人 [31] 发现，与 2.5D C_f/SiC 的传统铣削和超声辅助铣削相比，激光辅助铣削能够降低超过 10% 的切削力，并将刀具寿命提高超过 40%。Ke 等人 [32] 发现，在单晶硅的激光辅助加工中，进给率对切削力的影响最为显著。主轴转速、进给率、切削深度和激光功率对切削力的贡献率分别为 31.47%、35.82%、22.02% 和 8.04%。然而，现有研究主要侧重于通过分析加工形貌来分析材料去除模式，重点在于激光和磨削参数对材料去除行为的影响。仍然存在缺乏对激光辐照热效应驱动的材料机械性能演变及其在去除过程中这些效应的潜在机制的系统性理解。同时，相关工艺研究大多局限于分析单个参数的独立效应，而 LAUG 中多个工艺参数之间的交互效应尚未完全阐明。这一局限性限制了高质量和高效率激光辅助加工工艺系统的建立。

为解决这些缺口，对 Cf/SiC 复合材料进行了 LAUG 实验。系统分析了不同加工条件下的激光烧蚀行为、激光诱导的机械性能演变和磨削碎屑形貌。本研究阐明了激光热效应影响材料机械性能的机制，并进一步分析了它们在激光辅助磨削材料去除过程中的作用。此外，基于响应面法，阐明了多个工艺参数对加工结果的交互效应，并确定了高质量加工的工艺参数最佳组合。结果有助于解决对激光辅助超声磨削材料去除机制中激光热效应作用认识不足的问题，阐明关键工艺参数之间的交互效应，并为理解该机制和促进该工艺的工程应用提供理论支持和技术指导。

章节片段

材料制备

本研究使用的实验材料是单向 Cf/SiC 复合材料，通过结合化学气相渗透与前驱体浸渍热解的混合工艺制造。实验前，Cf/SiC 复合材料被金刚石线锯切割成 20 mm × 10 mm × 3 mm 的矩形试样，如图 1(a) 所示。试样表面用金刚石砂纸研磨和抛光，并观察了其微观结构和元素分布，

激光烧蚀行为

图 5 展示了激光功率为 60 W 且扫描速度为 5 mm/s 的单道激光烧蚀后 Cf/SiC 复合材料的横截面形貌。结果显示，烧蚀槽呈现出典型的不规则 V 形轮廓，最大烧蚀深度约为 710 μm。基于横截面形貌和微观结构特征，激光影响区呈现出明显的层状结构。从 V 形槽的内部

实验方法与设计

LAUG 工艺涉及各种类型的工艺参数，包括激光、超声和磨削参数，它们的交互对加工结果施加复杂的影响。为了阐明这些参数对加工结果的影响并识别最佳参数组合，本研究采用 RSM 进行实验设计。该方法能够在有限的实验次数内有效探索工艺参数的全局空间。通过建立一个

结论

为了阐明激光热效应诱导的机械性能演变及其在材料去除中的作用，对 Cf/SiC 复合材料进行了 LAUG 实验。本研究阐明了激光热效应影响材料机械性能的机制，并在此基础上，从机械性能演变的角度揭示了它们在材料去除过程中作用的潜在机制。此外，基于响应面法，

CRediT 作者贡献声明

Xin Qin: 写作 – 原稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，数据整理，概念化。 Jiayi Zeng: 写作 – 审查与编辑，监督，资源，方法论，调查，形式分析，概念化。 Xintong Cai: 写作 – 审查与编辑，验证，监督，调查，数据整理。 Qihao Zhang: 写作 – 审查与编辑，监督。 Dongjiang Wu: 写作 – 审查与编辑，监督，资金获取。 Yan Bao:

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，可能会影响本文中报告的工作。

致谢

这项工作由 国家重点研发计划 (2023YFB4605900) 和 国家自然科学基金 (Grant No. U25B20155) 资助。

Xin Qin|Jiayi Zeng|Xintong Cai|Qihao Zhang|Dongjiang Wu|Yan Bao|Zhigang Dong|Renke Kang|Fangyong Niu