（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210016）

碳化硅顆粒增強鋁基復(fù)合材料（SiCp/Al）是航空航天、光學(xué)精密儀器和電子產(chǎn)品部分結(jié)構(gòu)的理想材料，極具推廣應(yīng)用價值[1–2]。由于SiCp/Al中包含大量的高硬度SiC 顆粒，使用機(jī)械加工工藝去除該類復(fù)材會面臨嚴(yán)重的刀具磨損現(xiàn)象[3–4]。因此，利用特種加工工藝進(jìn)行SiCp/Al 復(fù)材的去除加工越來越受到關(guān)注，如電火花加工（EDM）、激光加工（LBM）、電化學(xué)加工（ECM）和磨料水射流加工（AWJ）等。

電化學(xué)射流加工技術(shù)（Electrochemical Jet Machining,ECJM）是電化學(xué)加工方法的一個分支，它通過電解液束蝕除金屬材料，適用于金屬表面微小特征的加工，如凹槽、流道和微型腔[5–8]。Bisterov 等[7]嘗試運用計算機(jī)輔助制造軟件結(jié)合ECJM 加工設(shè)備在金屬表面上制造出較為復(fù)雜的表面結(jié)構(gòu)。Martin 等[8]利用100μm 直徑射流、100μm 加工間隙、質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的硝酸鈉電解液進(jìn)行了不銹鋼材料的電解射流車削加工研究。在SiCp/Al 材料加工方面，Hackert-Osch?tzchen 等[9]利用中性電解液對低體積分?jǐn)?shù)（5% 和10%）SiCp/Al 復(fù)材的電化學(xué)射流加工進(jìn)行了探索。

磨料電化學(xué)射流加工（Abrasive Electrochemical Jet Machining,AECJM）是一種復(fù)合加工方法[10]，它將電化學(xué)射流加工和磨料水射流加工復(fù)合在一起達(dá)到高效去除金屬材料的目的。在電化學(xué)射流中添加磨料的優(yōu)點在于，磨料的高速沖擊能夠破壞工件表面的氧化層，加快金屬表面的電化學(xué)反應(yīng)，提高材料去除速率。AECJM 的加工成形能力與ECJM 相似，主要包括微槽、微型腔及微坑等。Zhao[11]、Liu[12]等研究了AECJM 在304 不銹鋼材料表面加工復(fù)雜微槽的能力，分析了加工電壓、加工間隙和磨料濃度等工藝參數(shù)對槽深和槽寬的影響規(guī)律。Hackert-Osch?tzchen 等[13]試驗研究了ECJM加工WC 材料表面微型腔的能力。AECJM 加工方法的適用性取決于材料的金屬基體是否能夠被電化學(xué)溶解去除，因此，鋁基、銅基、鈦基的顆粒增強復(fù)合材料均應(yīng)能夠被該方法加工去除。AECJM 加工SiCp/Al 復(fù)合材料去除效率與加工精度研究方面尚沒有公開資料的報道。Sankar等[14]開展了鋁基復(fù)合材料的磨料輔助電化學(xué)加工試驗，通過響應(yīng)面法建立了材料去除率和表面粗糙度的預(yù)測模型。Gao 等[10]對AECJM 加工不銹鋼表面微槽的加工表面粗糙度進(jìn)行研究，建立了基于二次多項式的表面粗糙度預(yù)測模型。上述研究結(jié)果對AECJM 加工SiCp/Al 復(fù)材具有借鑒意義。

在AECJM 加工SiCp/Al 復(fù)材過程中，射流中大量存在的磨粒會對SiC 增強相產(chǎn)生脈沖式?jīng)_擊作用，加速增強相與基體材料之間結(jié)合界面的疲勞失效破壞，促進(jìn)SiC 增強相的去除。本文旨在通過仿真和加工試驗來研究SiCp/Al 復(fù)材在AECJM 加工過程中增強相的去除機(jī)理。

材料去除機(jī)理分析

磨料電化學(xué)射流的加工原理如圖1（a）所示。該工藝通過電化學(xué)陽極溶解和磨粒沖刷的協(xié)同作用去除材料。AECJM 加工SiCp/Al 的材料去除機(jī)理比加工單一金屬材料的機(jī)理更為復(fù)雜。一方面SiC 是一種非導(dǎo)電材料，在電化學(xué)腐蝕性環(huán)境下不會被陽極溶解；另一方面鋁基材較易通過電化學(xué)溶解方式去除。但是，在NaNO3電解液的加工環(huán)境下，鋁基材表面極易出現(xiàn)鈍化膜，而混合在電解液中的磨料能夠通過高速沖蝕作用破環(huán)并去除這些鈍化膜。因此，如圖1（b）所示，磨料電化學(xué)水射流加工SiCp/Al 復(fù)材的去除方式應(yīng)該包含如下過程： （1）射流中的磨料沖蝕去除鋁基體表面的鈍化層及鋁基體；（2）鋁基材通過電化學(xué)陽極溶解去除；（3）SiC 顆粒通過磨料和電化學(xué)射流的持續(xù)沖刷而被去除。

由于Al2O3磨粒的硬度（約18～20GPa）明顯低于SiC 增強相（21～26GPa），因此本研究中使用的磨料（Al2O3顆粒）很難對SiC 增強相形成沖蝕破壞[15]。而鋁材的電化學(xué)溶解機(jī)理研究已經(jīng)較為成熟，因此本文將主要研究SiCp/Al 復(fù)材中SiC增強相的去除機(jī)理。

射流沖擊下增強相–鋁基材結(jié)合界面的疲勞壽命仿真

1 SiC 增強相的受力分析

根據(jù)實際加工試驗條件，將Al2O3磨料簡化為直徑10μm 的球體，SiC 增強相簡化為直徑50μm 的球體。圖2（a）是增強相的受力示意圖，在某個瞬態(tài)，SiC 顆粒承受由液體射流引起的沖擊力F1，以及由單個磨料引起的沖擊力F2。F1的大小沿Y軸方向恒定不變，而F2的方向則隨沖擊角β的變化而變化。可以將F2分解為沿X方向的分量F2x和沿Y方向的分量F2y。在很短的時間內(nèi)，將會有大量的Al2O3磨粒撞擊SiC 增強相，仿真計算只考慮沿Y軸方向的沖擊力。因此，在一段時間內(nèi)，射流對SiC 的作用力可以簡化為一個恒定壓力F1和一個脈沖力F2y之和，即F3y=F1+F2y，其中F2y的大小隨沖擊角度變化而變化，如圖2（b）所示。仿真的目標(biāo)是計算在圖2（b）所示的作用力下SiC 增強相與鋁基體結(jié)合界面的疲勞壽命。

圖1 SiCp/Al復(fù)合材料的磨料電化學(xué)射流加工機(jī)理Fig.1 Mechanism of abrasive assisted electrochemical jet machining of SiCp/Al composites

表1列出了與仿真相關(guān)的一些參數(shù)條件。采用ANSYS 中的LS–DYNA 和Fatigue–Tool 兩個模塊分別計算SiC 增強顆粒所受的沖擊力以及增強體與基體之間結(jié)合界面的疲勞壽命。假設(shè)SiC 增強材料和Al2O3磨料都是剛性體，SiC 顆粒沿結(jié)合界面固定，并且將Al2O3磨粒的撞擊速度與射流速度設(shè)定為相同值。

2 單磨料對SiC 增強體的沖擊力計算

單磨料與SiC 增強體發(fā)生碰撞時，其速度和方向?qū)l(fā)生變化。速度的變化（加速度）表征了磨料與SiC 增強體碰撞時產(chǎn)生的沖擊力大小。圖3、4 和5 分別顯示了在沖擊角度β為90°、60°、30°時，單磨料的加速度沿Y方向隨時間變化的仿真計算值。可以看出，磨料的峰值加速度隨沖擊角β而變化。90°的沖擊角獲得了最大的加速度，為30×106m/s2，這意味著該沖擊角度產(chǎn)生了沿Y方向的最大沖擊力。該加速度隨沖擊角的減小而顯著降低。例如，在沖擊角為30°時，峰值加速度大約為4.5×106m/s2，僅為90°沖擊角的15%，換句話說，沖擊角為90°的沖擊力大約是沖擊角為30°時的6～7 倍。

單顆磨料沿Y向的沖擊力F2y可由單磨粒的質(zhì)量與所對應(yīng)的最大加速度的乘積計算得到，結(jié)算結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?，Y方向的磨粒沖擊力隨沖擊角的增大而增大。在當(dāng)前條件下，由單個Al2O3磨粒的沖擊而產(chǎn)生的沿Y方向的沖擊力是一個從0 到6.25×10–5N 之間的隨機(jī)值。

3 結(jié)合界面的疲勞壽命計算

SiC 增強體與鋁基體結(jié)合界面的壽命可以通過在圖2（b）所示的受力情況下的疲勞失效時間計算而得到。通過表1中的數(shù)據(jù)可以得出，每秒撞擊SiC 增強體表面的液固兩相流體總體積為1.57×1011μm3。在此體積中，根據(jù)Al2O3磨粒的體積分?jǐn)?shù)，計算出其中磨料的總體積為3.93×108μm3。因此，每秒撞擊SiC的磨料總數(shù)約為7.5×105，這些磨粒對SiC 顆粒的沖擊角度是隨機(jī)的。計算得到電化學(xué)射流在SiC 增強體上產(chǎn)生的恒定壓力大約為F1= 7.85×10–3N（按照4MPa 射流壓力計算）。假定以1ms 為一個周期，則在此周期內(nèi)SiC 增強體受到的磨料撞擊力總數(shù)為750，這些力的大小范圍在0 到6.25×10–5N 隨機(jī)變化。據(jù)此定義1ms 周期內(nèi)施加在SiC 增強體上的載荷譜，如圖7所示。利用ANSYS Fatigue–Tool 模塊對結(jié)合界面的疲勞壽命進(jìn)行仿真計算。在有限元計算過程中，將增強體與鋁基體的結(jié)合面的網(wǎng)格定義為Bonder。失效準(zhǔn)則參考文獻(xiàn)[16]中的鋁材疲勞失效數(shù)據(jù)，如圖8所示[16]。

圖2 SiC顆粒的受力情況Fig.2 Analysis of forces on a single SiC particle

表1 仿真計算參數(shù)Table1 Parameters used in simulation

圖3 沖擊角度為90°時磨粒的加速度變化Fig.3 Acceleration due to impact angle of 90°

據(jù)結(jié)合界面占SiC 增強體總面積百分比，按照50%和25%的情況進(jìn)行結(jié)合界面疲勞壽命計算，如圖9所示。50%–結(jié)合界面表示SiC 增強體的1/2 面積與基體結(jié)合，25%–結(jié)合界面表示SiC 表面的1/4 與基體結(jié)合。圖10為按照圖7所示載荷譜加載情況的結(jié)合界面壽命仿真結(jié)果。結(jié)果表明，隨著射流沖擊時間的增加，結(jié)合界面的失效從接近鋁基體表面處開始，并逐漸擴(kuò)展到SiC 增強體的底部。對于50%–結(jié)合界面，界面單元的最短壽命為0.0057s，最長壽命為4.016×106s。對于25%–結(jié)合界面，界面單元的最短和最長壽命分別為0.0039s 和428.46s。以界面單元全部失效為判斷準(zhǔn)則，50%–結(jié)合界面和25%–結(jié)合界面的壽命分別約為4×106s 和428s。

因此，根據(jù)仿真結(jié)果可以得出如下結(jié)論：單磨粒對SiC 增強體的沖擊力大小取決于磨粒的質(zhì)量與碰撞速度，SiC 增強體與鋁基體結(jié)合界面的疲勞壽命隨著界面的減小呈若干數(shù)量級式減小，例如，25%–結(jié)合界面的壽命僅為50%–結(jié)合界面的大約0.01%，如圖11所示。因此可以推斷，隨著結(jié)合界面面積減小，界面的疲勞壽命將快速縮短。當(dāng)界面面積減小到一定水平時，SiC 增強體在射流的沖擊作用下最終從基體上脫落。由于SiC 增強體的脫落，會在加工表面上留下能夠被明顯觀測到的微坑。這些微坑的尺寸大小與SiC 增強體的尺寸呈正比例關(guān)系。

圖4 沖擊角度為60°時磨粒的加速度變化Fig.4 Acceleration due to impact angle of 60°

圖5 沖擊角度為30°時磨粒的加速度變化Fig.5 Acceleration due to impact angle of 30°

圖6 單顆磨料所產(chǎn)生的Y向沖擊力隨沖擊角度的變化Fig.6 Impact force along Y direction due to a single abrasive as a function of impact angle

圖7 1ms周期內(nèi)SiC增強體的受力載荷譜Fig.7 Load spectrum on a single SiC particle in 1ms periodic time

圖8 鋁材疲勞失效數(shù)據(jù)Fig.8 Fatigue curve for aluminum

圖9 結(jié)合界面疲勞壽命的計算情況Fig.9 Cases of lifetime simulation

圖10 結(jié)合界面壽命仿真計算結(jié)果Fig.10 Results of lifetime simulation for interface

圖11 結(jié)合界面疲勞壽命與界面面積大小的關(guān)系Fig.11 Relation between lifetime and area of interface

加工試驗

1 試驗條件

試驗裝置由X–Y移動平臺、噴嘴、隔膜計量泵、工作液箱、脈動阻尼器和直流電源組成，如圖12所示。隔膜計量泵的最大輸出壓力為6.7MPa，噴嘴由不銹鋼制成，噴嘴內(nèi)裝配有內(nèi)徑為300μm的藍(lán)寶石噴嘴。直流電源用于在金屬噴嘴和工件之間提供加工電壓，最大輸出電壓為200V。工件安裝在X–Y移動平臺。

準(zhǔn)備3 種具有不同體積分?jǐn)?shù)的SiCp/Al 復(fù)合材料進(jìn)行加工試驗。如表2所示，3 種材料的增強相體積分?jǐn)?shù)分別為20%、45%、65%。試件的尺寸均為20mm×10mm×5 mm。表3列出了試驗中的各項加工條件。為了避免射流回彈至噴嘴從而造成二次溶解，選擇加工間隙為2mm，這遠(yuǎn)大于常規(guī)電化學(xué)加工所需的0.1～1mm 加工間隙，因此，考慮到極間電解液壓降較大，為保持材料去除效率，選擇150～160V 的加工電壓。

表2 試驗所采用的SiCp/Al復(fù)材參數(shù)Table2 Parameters of SiCp/Al used in experiment

表3 試驗條件Table3 Experimental conditions

工作液是由15%–NaNO3電解液與1%–Al2O3磨料混合而成。加工20%–SiCp/Al 和45%–SiCp/Al 復(fù)材的時間設(shè)定為25s。由于65%–SiCp/Al復(fù)材較難去除，所以將其加工時間設(shè)定為1min。

2 結(jié)果及討論

圖13～15 為不同增強相體積分?jǐn)?shù)SiCp/Al 復(fù)材的加工結(jié)果。主要加工條件包括射流壓力4MPa、靶距2mm、電解液15%–NaNO3和磨料濃度1%。加工結(jié)果用奧林巴斯顯微鏡（DSX–510）進(jìn)行三維形貌檢測。從三維形貌數(shù)據(jù)中提取粗糙度輪廓，粗糙度值Ra的測量參數(shù)為：取樣長度250μm 及評價長度800μm。

圖12 試驗裝置示意圖Fig.12 Schematic of experimental apparatus

圖13 20%–SiCp/Al的加工結(jié)果：160V加工電壓及25s加工時間Fig.13 Result of machining 20%–SiCp/Al: 160V working voltage and 25s processing time

測量結(jié)果顯示，20%–SiCp/Al復(fù)材加工所得盲孔的入口直徑為898μm，深度為286μm，表面粗糙度Ra為4.08μm。45%–SiCp/Al 加工所得盲孔入口直徑為858μm，深度為295μm，粗糙度Ra為5.50μm。65%–SiCp/Al 加工所得盲孔入口直徑883μm，深度336μm 和Ra=14.55μm。如圖13～15 所示，在加工表面上可以觀察到一些深淺不一的微坑。這些微坑是由于SiC 增強體從鋁基體中脫落而形成，且微坑尺寸隨SiC 增強相尺寸的增大而增大。這與前文的結(jié)合界面壽命仿真結(jié)果吻合，即當(dāng)結(jié)合界面面積縮小到一定水平時，SiC增強顆粒極易被高速射流沖涮而脫落。由此，可以推導(dǎo)出磨料電化學(xué)射流加工SiCp/Al 復(fù)材的機(jī)理：（1）鋁基體主要通過電化學(xué)溶解及磨粒沖蝕去除，其中電化學(xué)溶解占主導(dǎo)作用；（2）由于鋁基體的不斷去除，SiC增強體和鋁基體之間的結(jié)合界面面積不斷減??；（3）當(dāng)結(jié)合界面減小到占SiC 顆粒總表面積20%以下后，在磨料電解液射流的復(fù)合沖擊作用下，SiC 增強體最終從鋁基體上脫落。

加工結(jié)果同時顯示，加工表面粗糙度Ra與增強相的體積分?jǐn)?shù)和尺寸高度相關(guān)。這與SiCp/Al 材料的加工去除機(jī)理一致。加工表面上的微坑是由于SiC 增強體脫落而形成，因此，這些微坑的尺寸和SiC 增強體尺寸緊密相關(guān)。較高含量的SiC 增強相會導(dǎo)致在加工表面留下更多數(shù)量的微坑。因此，在3 種試樣材料加工中，20%–SiCp/Al 復(fù)材的加工表面粗糙度Ra最?。?.08μm），而65%–SiCp/Al 的加工表面粗糙度值Ra最大（14.55μm）。SiC 增強相的尺寸和體積分?jǐn)?shù)會明顯影響加工表面的粗糙度。

圖16為不同體積分?jǐn)?shù)SiCp/Al復(fù)材的AECJM 加工去除率對比。其中，20%–SiCp/Al 的材料去除率為0.18mm3/min，45%–SiCp/Al 的材料去除率為0.179mm3/min，65%–SiCp/Al的材料去除率為 0.086mm3/min?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著該復(fù)材中SiC 增強相尺度及體積分?jǐn)?shù)的增大，材料去除率呈現(xiàn)下降趨勢。產(chǎn)生該結(jié)果的原因是：（1）SiC 顆粒大及含量多導(dǎo)致了較多SiC 材料包圍較少鋁基材的情況出現(xiàn)，SiC 顆粒之間包圍的鋁材面積狹小，在射流沖擊區(qū)域形成若干微小的溶解池，隨著SiC 顆粒的不斷暴露，這些微小溶解池的工作液流動條件變差，導(dǎo)致鋁基材溶解速率變慢；（2）大尺度SiC 顆粒與鋁基材的結(jié)合面積大，其結(jié)合力也較大，結(jié)合界面的疲勞壽命變長，導(dǎo)致SiC 顆粒不易脫落。與此同時，從圖13～15 中加工形狀側(cè)面形貌中可以看出較大尺度SiC 顆粒也導(dǎo)致了加工形狀的不規(guī)則。

圖14 45%–SiCp/Al的加工結(jié)果：160V加工電壓及25s加工時間Fig.14 Result of machining 45%–SiCp/Al: 160V working voltage and 25s processing time

圖15 65%–SiCp/Al的加工結(jié)果：150V加工電壓及1min加工時間Fig.15 Result of machining 65%–SiCp/Al: 150V working voltage and 1min processing time

為了進(jìn)一步研究AECJM 加工SiCp/Al 材料的去除機(jī)理，圖17顯示了純磨料漿體射流加工65%–SiCp/Al 的結(jié)果，其工藝條件為：射流壓力4MPa、靶距2mm、磨料濃度1%、加工時間1min。可以看到，磨料漿體射流加工對該材料的去除能力非常微弱，沒有形成可觀測的加工形狀，加工表面存在少量淺坑（10～20μm深度），應(yīng)該是鋁基材被沖蝕或者SiC 顆粒脫落所形成。該試驗表明，當(dāng)前工藝條件下的磨料沖蝕對SiC顆粒間的鋁材具有一定的沖蝕去除作用，但去除能力非常微弱。主要原因在于： （1）加工間距（2mm）遠(yuǎn)小于常規(guī)磨料漿體射流加工靶距（10～20mm），磨料在離開噴嘴2mm后尚未達(dá)到最高速度，磨料的沖擊動能相對較??；（2）射流中的磨料以離散相形式存在，對SiC 與基材結(jié)合界面處的鋁材去除能力較弱，難以達(dá)到快速減少結(jié)合界面的目的，導(dǎo)致SiC顆粒難以脫落。因此，在AECJM 加工SiCp/Al 材料中，鋁基材的去除應(yīng)該是電化學(xué)溶解作用為主、磨粒沖蝕作用為輔。

圖16 材料去除率隨SiC體積分?jǐn)?shù)變化Fig.16 Material removal rate as a function of SiC content

圖17 純磨料漿體射流加工65%–SiCp/Al結(jié)果Fig.17 Result of machining 65%–SiCp/Al by abrasive jet

結(jié)論

（1）在磨料電化學(xué)射流去除SiCp/Al 復(fù)材的過程中，鋁基體以電化學(xué)溶解及磨粒沖蝕方式去除，其中電化學(xué)溶解占據(jù)主導(dǎo)作用。隨著SiC 顆粒周圍鋁基材的不斷去除，增強相與基體之間的結(jié)合面積不斷減小。當(dāng)結(jié)合面積減小到一定值時，混合有大量磨粒的液束的沖擊作用能破壞結(jié)合界面，最終將SiC 增強體從基體上去除。

（2）結(jié)合界面的疲勞壽命仿真證明了上面提出的去除機(jī)理。仿真結(jié)果顯示，結(jié)合界面的壽命與結(jié)合面面積所占SiC 增強體表面積的比例高度相關(guān)。50%– 結(jié)合界面疲勞壽命約為4×106s，然而25%–結(jié)合界面的疲勞壽命僅有約400s。這說明結(jié)合界面的壽命隨著結(jié)合面積的減小而呈若干數(shù)量級式遞減。在結(jié)合界面面積縮減為零之前，增強體就已經(jīng)被射流沖刷而脫離基體。

（3）由于增強體的脫落，加工表面上會留下微坑。這個現(xiàn)象顯著影響到加工表面粗糙度。加工表面粗糙度會隨著增強相體積分?jǐn)?shù)以及增強相尺寸的增加而增大。SiC 增強相體積分?jǐn)?shù)對材料去除率也有一定影響，SiC 體積分?jǐn)?shù)越高則單位時間內(nèi)材料去除體積越小，加工效率越低。