239 / 2022-09-22 17:35:50

陶瓷基复合材料激光诱导烧蚀辅助磨削方法与机理

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陶瓷基复合材料具有耐高温、高比强度、低密度、耐腐蚀、抗氧化等优点，是航发涡轮叶片、燃烧室内壁、火箭喷嘴等航空航天装备热端部件最具前景性高温材料。然而，其硬脆性、各向异性和非均质特性给机械加工过程带来很大挑战，极易造成材料脆性断裂损伤，且金刚石磨粒磨损严重、加工效率极低。本文依据陶瓷基复合材料的物理化学性质，提出了一种高效、低损伤、低磨损加工方法，即激光诱导烧蚀辅助磨削。通过单颗磨粒划痕实验研究了C_f/SiC复合材料在激光诱导烧蚀辅助磨削过程中的化学转变特性与去除机理，然后开展了砂带磨削对比试验，从热力耦合特性、表面完整性、磨粒磨损等方面对这一新型加工方法进行系统评价。结果表明，C_f/SiC复合材料在3000℃左右的激光温度下发生化学转变形成相对疏松均匀的SiO₂和再结晶SiC变质层，其在磨削后表面形貌主要呈现为碳纤维和碳化硅基体的微断裂和破碎，而纤维拔出、界面脱粘、基体开裂等脆性断裂损伤被大幅抑制；金刚石砂带磨损主要表现为微粘附和微磨耗。该加工方式使得陶瓷基复合材料磨削力、磨削温度和表面粗糙度分别降低了47%、40%和26%。研究成果对突破陶瓷基复合材料的高质高效加工技术瓶颈具有重要的理论和实际意义。