【儀表網 研發快訊】連續碳化硅纖維增強鈦基復合材料(SiCf/Ti)具有高比強度、高比剛度、耐腐蝕、耐高溫、抗疲勞等優異性能，這些屬性使其在航空、航天、汽車和核能等工業領域的應用范圍越來越廣。該材料在延性Ti基體中添加高強度、堅硬的脆性SiC纖維為材料提供了卓越的性能，但兩相之間性能的巨大差異對SiCf/Ti部件的成型和加工提出了重大挑戰。SiCf/Ti的主要優點是通過加入連續的SiC纖維來增強軸向拉伸強度，這使得優異的軸向強度成為其最大的性能優勢。因此，在SiCf/Ti組件生產的整個生命周期中，軸向尺寸通常在坯料制備階段是固定的，隨后的加工旨在減少外部Ti基體的厚度而不損壞纖維。與傳統加工垂直于纖維的端面相比，減薄金屬外層是SiCf/Ti零件加工中的關鍵環節。然而，過大的加工應力和顯著的亞表面變形經常導致纖維和基體之間的開裂，在嚴重的情況下，在表面下甚至發生廣泛的纖維斷裂，通常就會采用保守的加工參數來保證質量，這限制了整體加工效率。以上加工難題對減薄SiCf/Ti復合材料的高效和低應力加工提出需求。
 

圖1 SiCf/Ti加工減薄過程中的變形和開裂
 

　　為解決這一難題，北京航空航天大學袁松梅教授團隊采用超聲振動加工技術，探究了超聲切削過程中SiCf/Ti的宏觀變形與微觀演化機制，驗證了超聲振動加工技術減薄SiCf/Ti的有效性。研究發現，超聲加工誘導了Ti基體的聲軟化效應，從而降低了塑性變形所需的應力，高頻應力波在亞表面內的反復疊加也增加了亞表面殘余壓應力，并相應提高了亞表面硬度。在亞表面變形中，超聲加工過程涉及交替加載和卸載循環。在加載周期中，切削力的減小降低了塑性變形量。在卸載周期中，刀具輕微提升，材料反彈，進一步減少變形。超聲加工促進SiCf/Ti外層Ti的晶粒細化，擴大了位錯影響深度。而在纖維間，超聲加工不僅使鈦的晶粒細化，同時降低了位錯密度。這是由于超聲加工時鈦發生了更強烈的再結晶，進一步細化了晶粒，降低了位錯密度。超聲切削時α-Ti和β-Ti界面處的應力集中也加速了α-Ti向β-Ti的轉變。在SiCf/Ti界面處，超聲振動誘導應力波傳播，促進應力場重排、均勻化和動態再結晶，這導致了界面上的結構更均勻，產生具有清晰輪廓的超細晶粒。這些變化減少了基體-纖維界面損傷，并保持了其性能穩定。文章還揭示了超聲加工過程中多道次應力波在SiCf/Ti亞表面的累積疊加效應：應力波在晶界處傳遞并衰減，在SiCf/Ti界面處進行反射和透射。這一過程導致晶粒細化、位錯激活和湮滅以及動態再結晶，最終影響加工過程中的宏觀變形和加工后的微觀組織演變。
 

圖2 部分近加工表面、纖維間基體及界面表征結果
 

圖3傳統加工和超聲加工作用下SiCf/Ti的亞表面組織變化。
 

　　相關工作以“How does ultrasonic cutting affect the macroscopic deformation and microstructure evolution offibre-reinforced titanium matrix composites?”為題發表在機械制造領域著名期刊《International Journal of Machine Tools and Manufacture》(DOI:10.1016/j.ijmachtools.2024.104245)，博士生王立宇是論文的第一作者，袁松梅教授是該論文的通訊作者。北航袁松梅教授團隊畢業博士生李麒麟(現清華大學博士后)、李真(現南方科技大學副研究員)參與文章部分工作。