【仪表网 研发快讯】连续碳化硅纤维增强钛基复合材料(SiCf/Ti)具有高比强度、高比刚度、耐腐蚀、耐高温、抗疲劳等优异性能，这些属性使其在航空、航天、汽车和核能等工业领域的应用范围越来越广。该材料在延性Ti基体中添加高强度、坚硬的脆性SiC纤维为材料提供了卓越的性能，但两相之间性能的巨大差异对SiCf/Ti部件的成型和加工提出了重大挑战。SiCf/Ti的主要优点是通过加入连续的SiC纤维来增强轴向拉伸强度，这使得优异的轴向强度成为其最大的性能优势。因此，在SiCf/Ti组件生产的整个生命周期中，轴向尺寸通常在坯料制备阶段是固定的，随后的加工旨在减少外部Ti基体的厚度而不损坏纤维。与传统加工垂直于纤维的端面相比，减薄金属外层是SiCf/Ti零件加工中的关键环节。然而，过大的加工应力和显著的亚表面变形经常导致纤维和基体之间的开裂，在严重的情况下，在表面下甚至发生广泛的纤维断裂，通常就会采用保守的加工参数来保证质量，这限制了整体加工效率。以上加工难题对减薄SiCf/Ti复合材料的高效和低应力加工提出需求。
图1 SiCf/Ti加工减薄过程中的变形和开裂
为解决这一难题，北京航空航天大学袁松梅教授团队采用超声振动加工技术，探究了超声切削过程中SiCf/Ti的宏观变形与微观演化机制，验证了超声振动加工技术减薄SiCf/Ti的有效性。研究发现，超声加工诱导了Ti基体的声软化效应，从而降低了塑性变形所需的应力，高频应力波在亚表面内的反复叠加也增加了亚表面残余压应力，并相应提高了亚表面硬度。在亚表面变形中，超声加工过程涉及交替加载和卸载循环。在加载周期中，切削力的减小降低了塑性变形量。在卸载周期中，刀具轻微提升，材料反弹，进一步减少变形。超声加工促进SiCf/Ti外层Ti的晶粒细化，扩大了位错影响深度。而在纤维间，超声加工不仅使钛的晶粒细化，同时降低了位错密度。这是由于超声加工时钛发生了更强烈的再结晶，进一步细化了晶粒，降低了位错密度。超声切削时α-Ti和β-Ti界面处的应力集中也加速了α-Ti向β-Ti的转变。在SiCf/Ti界面处，超声振动诱导应力波传播，促进应力场重排、均匀化和动态再结晶，这导致了界面上的结构更均匀，产生具有清晰轮廓的超细晶粒。这些变化减少了基体-纤维界面损伤，并保持了其性能稳定。文章还揭示了超声加工过程中多道次应力波在SiCf/Ti亚表面的累积叠加效应：应力波在晶界处传递并衰减，在SiCf/Ti界面处进行反射和透射。这一过程导致晶粒细化、位错激活和湮灭以及动态再结晶，最终影响加工过程中的宏观变形和加工后的微观组织演变。
图2 部分近加工表面、纤维间基体及界面表征结果
图3传统加工和超声加工作用下SiCf/Ti的亚表面组织变化。
相关工作以“How does ultrasonic cutting affect the macroscopic deformation and microstructure evolution offibre-reinforced titanium matrix composites?”为题发表在机械制造领域著名期刊《International Journal of Machine Tools and Manufacture》(DOI:10.1016/j.ijmachtools.2024.104245)，博士生王立宇是论文的第一作者，袁松梅教授是该论文的通讯作者。北航袁松梅教授团队毕业博士生李麒麟(现清华大学博士后)、李真(现南方科技大学副研究员)参与文章部分工作。
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