激光誘導氧化輔助銑削SiCp/Al復合材料試驗研究

梁洪濤， 徐 亮， 方 勝， 王新永， 陳旭輝， 韓 軍， 宋 楠，王 凱， 嚴偉容， 王 松， 徐 亮， 劉鴻貴

(1.海裝駐北京地區(qū)第一軍事代表室， 北京 100076； 2.航天材料及工藝研究所， 先進功能復合材料技術(shù)重點實驗室， 北京 100076)

SiCp/Al復合材料是一種常用的金屬基復合材料，具有硬度高、比強度高、膨脹系數(shù)低、耐磨損、耐高溫等優(yōu)良特性，在航空航天、精密儀器、先進武器等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。美國用該材料替換了F-16戰(zhàn)斗機腹鰭上原本使用的AA2214蒙皮，使得剛度提升了50%，而使用時間提高到8 000 h，提升了近10倍；Cerast公司使用該材料制造飛機攝像頭萬向架，減輕了重量并提高抗腐蝕能力[2]。

由于作為增強相的SiC具有極高的硬度及良好的耐磨性，使得SiCp/Al的高質(zhì)量加工存在較大難度[3]。使用傳統(tǒng)的機械加工方式，會存在刀具磨損劇烈、切削力大、加工精度低和表面完整性差等問題，并且加工效率低，加工成本高[4]，限制了該類材料的廣泛應(yīng)用。此外，隨著SiCp/Al復合材料中SiC體積分數(shù)的增加，其硬度、拉伸強度和屈服強度也會相應(yīng)增大[5]，使得加工更為困難。目前SiCp/Al復合材料的加工方式有磨削加工、銑削加工、電火花加工、激光加工等。磨削加工可以獲得較好的加工表面質(zhì)量及較高的尺寸精度，但是磨削加工效率較低，且存在難以加工復雜結(jié)構(gòu)的問題[6]。銑削加工是一種常用的機械加工方式，Sankar等[7]進行了SiCp/Al的銑削參數(shù)優(yōu)化以獲得最小的銑削力及表面粗糙度，但是沒有從根本上解決刀具磨損嚴重及加工表面質(zhì)量較差的問題。電火花加工(EDM)是用于難加工導電材料的一種常用的特種加工方式，由于是非接觸式加工，不會受加工材料硬度影響，但是其加工表面粗糙度高，表面質(zhì)量差，不適合用來進行精加工[8]。激光加工是一種高能束流加工，通過高能激光束輻照工件表面，使材料產(chǎn)生熔化、蒸發(fā)、升華等現(xiàn)象從而去除材料。激光加工具有加工效率高，無刀具磨損等優(yōu)點，但是會導致熱影響區(qū)的產(chǎn)生，降低零件的使役性能。Dandekar等[9]進行了SiCp/Al復合材料在納秒激光輻照下相關(guān)反應(yīng)的詳細研究。

現(xiàn)提出使用激光誘導可控氧化輔助銑削SiCp/Al復合材料加工工藝，該工藝使用高能量密度納秒激光器輻照待加工區(qū)域，提供富氧環(huán)境，誘導工件材料發(fā)生快速可控的氧化反應(yīng)，生成疏松多孔的氧化層及亞表層，從而降低了加工難度，隨后使用聚晶金剛石(polycrystalline diamond, PCD)刀具去除氧化層以及部分殘余變質(zhì)層和少量基體材料，此方法能大大提高材料去除率，減少刀具磨損?；诩す廨椪障虏牧系南嘧儸F(xiàn)象，現(xiàn)研究SiCp/Al復合材料在納秒激光下的氧化機理。針對銑削力和表面質(zhì)量對激光誘導氧化輔助銑削和傳統(tǒng)銑削作對比研究，并對材料去除機理和表面缺陷機理進行探討。

1 試驗及方法

1.1 激光誘導氧化輔助銑削簡介

圖1 激光誘導氧化輔助銑削工作原理圖Fig.1 Diagram of laser-induced oxidation assisted milling

激光誘導可控氧化輔助銑削的原理如圖1所示，首先脈沖激光在氧氣輔助下以一定的路徑輻照工件待加工區(qū)域，生成疏松多孔氧化層。隨后銑刀去除氧化層使亞表層暴露出來，激光再次以相同路徑輻照亞表層，生成新的氧化層，銑刀再次去除，循環(huán)多次，最后一次銑削去除亞表層和微薄基體材料以獲得較好的表面質(zhì)量。

1.2 試驗材料

本次實驗材料為體積分數(shù)為55%的SiCp/Al復合材料，試樣采用電火花線切割處理為40 mm×15 mm×4 mm的小塊，然后經(jīng)研磨拋光及超聲清洗使工件表面平整光潔，材料屬性如表1所示。

表1 SiCp/Al復合材料物理性能

1.3 試驗條件

激光器：本次試驗使用納秒脈沖激光器(YLP-1/100/20, IPG Photonics)，激光器相關(guān)參數(shù)如表2所示。

機床：銑削試驗使用Mikron UCP710五坐標加工中心，機床最大轉(zhuǎn)速為18 000 r/min，功率15 kW，最大進給速度為20 m/min。

刀具：采用直徑為10 mm，齒數(shù)為2的PCD銑刀，前角為3°，后角為10°。

測量儀器：使用冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM, Regulus 8220)、熱致發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM, Hitachi S-3400N)來觀察微觀形貌；采用壓電測力儀(KISTLER9265B)、KISTLER5019A電荷放大器來測量銑削過程中的銑削力；使用激光共聚焦顯微鏡(LEXTOLS5000, Olympus)用于獲得表面粗糙度，取樣區(qū)域為300 μm×300 μm。

表2 納秒脈沖激光器參數(shù)

1.4 試驗方案

根據(jù)前期試驗研究，在通氧的條件下，選取激光平均功率10 W，激光掃略速度為2 mm/s，激光掃略間距為10 μm，此時氧化效果最佳。選取銑削試驗參數(shù)如表3所示。主軸轉(zhuǎn)速固定為5 000 r/min，銑削深度選取0.1 mm和0.2 mm，每齒進給量選取0.005、0.010、0.015、0.020 mm/z，同時以相同銑削參數(shù)進行常規(guī)銑削試驗以進行對比。

表3 銑削試驗參數(shù)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 氧化機理分析

物質(zhì)對光能的吸收首先是通過電子進行的，由于材料兩組分之間的性質(zhì)差異，其能量吸收方式也不同。當激光束照射到碳化硅上，光子會深入到碳化硅顆粒內(nèi)部，引起自由電子聚集，當自由電子密度達到臨界值，自由電子就開始積極參與能量吸收，使得碳化硅溫度升高；當激光輻照Al基體時，原子中的電子通過逆韌致輻射吸收光子能量被激發(fā)而具有動能，然后通過發(fā)射聲子將能量傳遞到晶格上，此外由于納秒激光的脈沖持續(xù)時間長于電子的冷卻時間，所以能量不斷地傳遞積累從而引起材料升溫[10]。而在合適的激光參數(shù)下，溫度升高而又未達到材料的熔化閾值，材料不會產(chǎn)生劇烈燒蝕現(xiàn)象而是主要與氧氣發(fā)生反應(yīng)，生成疏松氧化物。

SiCp/Al復合材料發(fā)生的主要氧化反應(yīng)為

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

當激光輻射工件時，工件表面會瞬間升溫并與表面依附的氧氣發(fā)生反應(yīng)，形成SiO2和Al2O3。隨著反應(yīng)的進行，SiO2和Al2O3以不同的生長速度膨脹，并超過工件表面高度，由于不同氧化產(chǎn)物之間的熱膨脹系數(shù)不同，氧化層內(nèi)部及表面會出現(xiàn)大量的微裂紋和孔洞。氧化反應(yīng)中會產(chǎn)生CO2，CO2會從氧化物中逸出，進一步造成氧化物疏松多孔的狀態(tài)。O2通過裂紋和孔洞滲入，進一步促進氧化反應(yīng)，使得氧化層厚度更大。由于SiO2在高溫下具有較好的流動性，SiO2會在氧化層中往不同方向移動，與Al2O3混合在一起，形成莫來石(2Al2O3·SiO2)。隨著氧化反應(yīng)繼續(xù)進行，氧化層會逐漸致密并作為保護膜抑制氧氣滲入，逐漸降低氧化反應(yīng)的速率。

根據(jù)前期試驗研究，激光平均功率10 W，激光掃略速度為2 mm/s，激光掃略間距為10 μm時形成的變質(zhì)層橫截面如圖2(a)所示，整個變質(zhì)層分為氧化層及亞表層，此時氧化層厚度為0.23 mm，亞表層的厚度為0.08 mm。圖2(b)是橫截面氧化層微觀形貌，在該工藝參數(shù)下形成的氧化物沒有發(fā)生燒蝕，且氧化物在脈沖激光高溫下不斷堆積，形成結(jié)構(gòu)疏松多孔的氧化層，易于銑削去除，白色亮點是被氧氣拂起的少量絮狀氧化物。圖2(c)是亞表層形貌，可見亞表層上存在較多孔洞，表面凹凸不平，這是由部分材料汽化及熔化重凝引起的，因此為了獲得較為良好的表面質(zhì)量需要完全去除亞表層。

圖2 激光輻照后SiCp/Al材料橫截面、氧化層、亞表層形貌圖Fig.2 The cross section, oxide layer and, sub-layer of SiCp/Al composite after laser irradiation

2.2 銑削參數(shù)對銑削力的影響

銑削力是評估銑削過程的一個重要指標，通過檢測銑削力的變化，可以間接的實時監(jiān)測刀具磨損程度以及銑削加工質(zhì)量。過大的切削力會導致刀具產(chǎn)生磨損、變形等問題，嚴重影響加工過程的穩(wěn)定性及加工質(zhì)量。由于去除氧化層時切削力較低且對刀具影響很小，所以主要測量去除亞表層及少量基體階段的切削力，并與常規(guī)銑削進行對比。圖3為銑削過程示意圖，其坐標系方向與試驗相同，試驗中測量徑向力Fx和進給抗力Fy，銑削力F取峰值的平均值。

圖3 銑削過程示意圖Fig.3 Diagram of milling process

圖4為不同銑削深度下，切削力隨著每齒進給量的變化曲線圖?？梢钥吹皆谙嗤娤魃疃认拢S著每齒進給量增加銑削力呈上升趨勢，而當每齒進給量相同時，ap=0.2 mm時的切削力明顯大于ap=0.1 mm時的切削力。當每齒進給量增加時，材料去除率也會增加，這使得單位時間內(nèi)加工所需能量增多，從而導致銑削力的增大。在ap=0.1 mm時，每齒進給量fz從0.005 mm/z增加到0.020 mm/z，采用激光誘導氧化工藝的Fx和Fy分別從10.06 N和6.24 N增加至14.33 N和9.54 N。而常規(guī)銑削下的Fx和Fy分別從13.15 N和11.42 N增加至17.89 N和15.01 N，均大于采用激光誘導氧化工藝的切削力，經(jīng)計算，fz=0.005 mm/z時采用新工藝的Fx和Fy與常規(guī)銑削相比分別減少了23%和45%。在ap=0.2 mm時，每齒進給量fz從0.005 mm/z增加到0.020 mm/z，采用新工藝的Fx和Fy分別從14.08 N和9.35 N增加至18.59 N和12.44 N，于常規(guī)銑削相比分別減少了28%和40%。由銑削力分析結(jié)果可知，采用該工藝可有效降低銑削加工過程的切削力，而在ap=0.1 mm、fz=0.005 mm/z時切削力最小。

2.3 銑削參數(shù)對表面質(zhì)量的影響

為了比較不同工藝下的加工表面質(zhì)量，可采用表面粗糙度Sa這一指標來進行評估。由于該材料已加工表面存在凹坑，劃痕等無規(guī)則缺陷，與線粗糙度Ra相比，選用基于面的輪廓算法平均高度能更好地體現(xiàn)出已加工表面質(zhì)量。

圖5為不同加工工藝參數(shù)下表面粗糙度變化。可以看出，當每齒進給量fz不斷增大時，表面粗糙度Sa也隨之不斷增加。當ap=0.1 mm、fz=0.005 mm/z時，采用激光誘導氧化輔助銑削工藝的表面粗糙度Sa=0.36 μm。當fz增加到0.02 mm/z時，表面粗糙度Sa增加到0.62 μm，較fz=0.005 mm/z時增大72%。當ap=0.2 mm時，不同每齒進給量fz下表面粗糙度數(shù)值與ap=0.1 mm接近，變化規(guī)律相同，當fz=0.005 mm/z時，Sa=0.38 μm，而當fz=0.02 mm/z時，Sa=0.61 μm。結(jié)果表明每齒進給量fz對表面粗糙度影響較大而切削深度ap對粗糙度影響不明顯。常規(guī)銑削粗糙度變化規(guī)律相同，但數(shù)值上均大于采用激光誘導氧化輔助銑削工藝。

圖4 在ap=0.1 mm與ap=0.2 mm時隨每齒進給量變化的銑削力Fig.4 Milling force varying with the feed rate of each tooth when ap=0.1 mm and ap=0.2 mm

圖5 不同銑削工藝參數(shù)下表面粗糙度的變化Fig.5 Variation trend of surface roughness under different milling process parameters

圖6 不同工藝下已加工表面微觀形貌圖Fig.6 Micrograph of machined surface under different processes

圖6為選取ap=0.1 mm、fz=0.005 mm/z下兩種加工方式的表面形貌圖，可以看到切削加工主要缺陷是SiC顆粒發(fā)生脆性破壞時產(chǎn)生的凹坑，Al基體的撕裂、涂抹現(xiàn)象以及表面劃痕損傷。由于SiC顆粒大小形狀及空間分布不均勻，在加工過程中不同顆粒與基體的結(jié)合強度不同。當SiC顆粒大部分位于加工表面內(nèi)，只有少部分露出表面時，其與基體結(jié)合較為穩(wěn)固，在加工過程中顆粒露出部分受刀具碾壓，承受較大應(yīng)力而產(chǎn)生坍塌式破碎，從而在表面形成破碎狀凹坑。而當SiC顆粒與加工表面粘結(jié)面積較小時，結(jié)合力不夠大時，整個顆粒會在刀具作用下隨切屑整體拔除，在表面留下較大面積的凹坑，而被拔出顆粒周圍的基體材料也會被撕裂、剝離。破碎的SiC顆粒及剝落的刀具涂層碎片會隨著刀具移動劃傷已加工表面，由于Al基體較軟，會在表面產(chǎn)生較明顯劃痕。此外，刀具后刀面熨壓加工表面時，較小厚度的Al基體在后刀面的作用下發(fā)生塑性變形，涂抹在工件材料表面，此時工件表面粗糙度略有改善，但是Al基體易在工件運輸過程中脫落、剝離，從長期上來看會影響加工表面完整性。

通過對比可以發(fā)現(xiàn)采用常規(guī)銑削工藝的加工表面質(zhì)量明顯較差，與采用激光誘導氧化輔助銑削工藝的表面相比，SiC顆粒破碎現(xiàn)象嚴重，凹坑密集，劃痕損傷也更為明顯，這與表面粗糙度結(jié)果相吻合。該結(jié)果表明采用該工藝可有效降低SiCp/Al復合材料的表面粗糙度，從而大大改善表面質(zhì)量。

3 結(jié)論

提出激光誘導氧化輔助銑削SiCp/Al復合材料的加工方法，并對材料氧化機理，銑削力和加工表面質(zhì)量等方面進行深入研究，結(jié)論如下：

(1)SiCp/Al復合材料可在富氧環(huán)境下經(jīng)納秒激光輻照生成疏松多孔，易于去除的氧化層，在激光參數(shù)為平均功率10 W、掃略速度2 mm/s、掃略間距為10 μm的條件下生成了共0.31 mm的變質(zhì)層，其中氧化層0.23 mm，亞表層0.08 mm。

(2)在0.1 mm與0.2 mm兩種切削深度下，銑削力均隨著每齒進給量增加而增大，而在相同的進給速度下，銑削深度為0.2 mm的銑削力大于銑削深度為0.1 mm時的銑削力，說明銑削力與每齒進給量及銑削深度呈正相關(guān)。在ap=0.1 mm、fz=0.005 mm/z，采用新工藝加工時銑削力最小，分別為Fx=10.06 N和Fy=6.24 N。

(3)加工表面粗糙度隨著每齒進給量增大而增大，而銑削深度對表面粗糙度的影響并不明顯。已加工表面主要缺陷有因SiC顆粒脆性破壞及拔出而產(chǎn)生的凹坑，表面劃痕損傷以及鋁基體的撕裂、涂抹。

(4)采用激光誘導氧化輔助銑削工藝可有效減小加工過程銑削力，改善加工表面質(zhì)量，提高加工效率，擁有良好的應(yīng)用前景。而綜合考慮銑削力及表面粗糙度，選取ap=0.1 mm、fz=0.005 mm/z為最優(yōu)加工參數(shù)。