电化学射流加工SiCp/Al 复合材料的试验研究

刘 壮，郭 超，谢天海，高长水

（ 南京航空航天大学机电学院，江苏南京 210016 ）

碳化硅颗粒增强铝基复合材料（SiCp/Al）具有高比强度、高比刚度、低热膨胀系数、较好的导热和导电性，是航空航天、光学精密仪器和电子封装等领域的理想材料[1-2]。 其中，较低 SiC 体积分数（15%～20%）的SiCp/Al 复合材料一般作为光学、仪表系统结构件使用[3]。

由于SiCp/Al 复合材料中存在高强度和高硬度的SiC 陶瓷颗粒，其二次加工变得非常困难。 目前，国内外众多学者对SiCp/Al 复合材料的加工技术进行了研究，主要涉及切削加工、电火花加工和激光加工等。 韩荣第等[4]对SiCp/Al 复合材料进行了外圆切削，发现刀具磨损主要由SiC 颗粒造成，且增强相体积分数越高， 切削温度越高， 刀具磨损越严重。Dhar 等[5]研究了电火花加工参数对SiCp/Al 复合材料加工质量的影响，建立了放电电流、增强相体积分数等参数与表面质量、电极损耗之间关系的数学模型，发现增强相体积分数越高，电极损耗越严重，加工表面粗糙度越大。Frank[6]对SiCp/Al 复合材料的电火花加工、激光加工和水射流加工方法进行了对比研究，发现激光加工相比于电火花加工具有更高的加工效率，但热影响区更大且加工表面存在明显裂纹，而水射流加工表面没有热损伤但加工表面质量较差。 总之，各种工艺方法在加工SiCp/Al 复合材料时的优点与局限性并存。

电化学射流加工（ECJM）是电解加工的一个分支，其原理是将具有一定压力的电解液通过金属喷嘴射向工件表面，使工件表面被电解液喷射的部分产生阳极溶解而被去除[7]，但国内外在SiCp/Al 复合材料的电化学射流加工方面研究甚少。 与其他加工方法相比，电化学射流加工没有工具损耗，加工工件表面没有重铸层和微裂纹，可实现微小几何结构及复杂三维形貌加工，其加工方法见图1[8]。 本文采用电化学射流方法对SiC 体积分数20%的SiCp/Al复合材料开展加工试验研究，以期探索该复合材料的加工去除机理及加工参数对加工形貌的影响。

1 试验方案

1.1 试样材料

试验采用SiC 体积分数为20%的SiCp/Al 复合材料，采用粉末冶金工艺，通过热等静压技术使粉末烧结成型，密度2.8 g/cm3、弹性模量103 GPa，SiC增强相颗粒尺寸为30～50 μm、试件大小为40 mm×20 mm×5 mm。 图 2 是测得 SiCp/Al 复合材料的表面形貌与表面粗糙度，表面粗糙度值为Ra1.34 μm。

1.2 试验条件

采用单因素试验方法，研究加工电压、加工时间对小孔加工三维形貌和表面质量的影响，具体工艺实验参数见表1。 电解液采用质量分数为15%的NaNO3溶液，射流喷嘴直径为300 μm，加工间距设定为2 mm；考虑到高压力射流有利于SiC 颗粒的冲刷脱落，射流压力设定为4 MPa，高于一般的电化学射流；加工电压采用直流120、160 V，加工时间分别为 10、25、40 s。 每个加工试验重复 3 次，加工孔型的直径、孔深、材料去除量取3 次结果的平均值。

表1 试验条件

图3 是加工采用的试验装置，主要部件包括工作液槽、压力泵、脉动阻尼器、喷嘴、数控移动平台、直流电源等。 配制好的电解液存放在工作液槽中，经隔膜泵加压后通过喷嘴射向工件表面；直流电源阳极接工件、阴极接喷嘴，通过电化学阳极溶解蚀除材料，直流电源可输出0～200 V 稳定电压；移动平台是由两个步进电机带动的十字滑台，滑台行程为200 mm，重复定位精度为0.02 mm。

1.3 测试设备及方法

采用DSX510 型激光共聚焦显微镜对加工结果进行检测， 通过逐行扫描方式和3D 成像获得所测表面的三维形貌，进而得到样品的几何特征、表面粗糙度等参数。 图4 是加工区域的入口直径、孔深及表面粗糙度检测方法，对每个孔取X 方向直径Dx及Y 方向直径Dx的平均值作为入口直径，入口表面至孔底部的垂直距离作为孔深H；表面粗糙度通过轮廓算术平均偏差Ra 评价， 评价长度为800 μm，位置选取在孔底部中央位置，取样长度为250 μm。

2 试验结果与分析

2.1 加工形貌分析

图5、图6 是加工电压为 120 V 时加工25 s 和40 s 后的三维形貌和表面粗糙度轮廓。 对比可知，加工40 s 获得的孔深及孔径均比加工25 s 大，但加工25 s 所得孔型边界更加清晰，这两例加工所获得的表面粗糙度值分别为Ra4.18 μm 和Ra4.17 μm。

图 7、 图 8 是加工电压 120 V 和 160 V 时典型加工结果的横截面轮廓与加工平均直径、孔深。 可见，随着加工进行，加工区域的入口直径和孔深均明显增大，且孔深的增加速度远大于入口直径的增加速度，这表明随着加工的进行，电化学射流在孔底部的阳极溶解速率要高于侧壁的阳极溶解速率，这和 Kozak 等[9]的研究结果相吻合。 Kawanaka 等[10]对电化学射流加工单一金属材料中工件表面电场进行了理论分析和数值计算，发现射流中心处电流密度最大，距离射流中心越远则电流密度越小（图9），这是由于电解加工过程中阳极溶解速度与电流密度成正比， 射流中心部位材料去除速率更高，进而导致孔底部的阳极溶解速率高于侧壁。

对于SiCp/Al 复合材料的加工，其加工表面电流密度分布与单一金属材料的加工类似。 电流密度较大处，铝基体的阳极溶解速度较快，SiC 颗粒与铝基体的结合界面缩小速度也较快，最终导致射流中心位置的SiC 颗粒的脱落速度快于侧壁位置。 而平均入口直径与孔深随着加工电压的增加而增大，这是由于加工电压增加导致喷嘴与材料表面电场强度增大，各处电流密度随之增加，使阳极溶解速率加快，所得到的凹坑入口直径和孔深都有所增大。

图10 是不同电压下加工表面粗糙度检测结果，可见所有加工孔型的表面粗糙度值均介于Ra3～5 μm 之间，比材料的初始表面粗糙度（Ra1.34 μm）略高。 国内外研究人员通过电解射流加工单一金属材料获得较好表面质量，Natsu 等[11]通过NaNO3电解射流加工304 不锈钢获得的表面粗糙度值达到Ra0.5～1 μm；Sen 等[12]对镍基合金进行了电化学射流小孔加工，通过遗传算法优化工艺参数获得的加工表面粗糙度值为Ra0.89 μm。 而本文所得的加工结果相比于单一金属材料的加工表面粗糙度有较大差别，这主要是因为在电化学射流加工SiCp/Al 复合材料过程中， 铝基体由于电化学阳极溶解而去除，不导电的碳化硅颗粒则凸于工件表面，导致表面粗糙度值增加；同时，SiC 颗粒的脱落在加工表面形成微凹坑， 进一步造成表面粗糙度值的增加，具体示意见图11。 由此总结，加工表面粗糙度受复合材料中SiC 颗粒数量与尺度的影响较大，SiC 颗粒及其脱落形成的凹坑会导致表面粗糙度值的增加。

2.2 材料去除机理探讨

在电化学射流加工中，SiCp/Al 复合材料的去除机理比单一金属材料更为复杂。 铝基体较易通过阳极溶解的方式去除， 不导电的SiC 颗粒在电解液中无法溶解， 但铝基体的溶解会导致SiC 颗粒与铝基体之间的结合界面缩小， 同时凸于材料表面的SiC颗粒会受到高压射流的持续冲击作用，这种射流冲击能对结合界面产生一定程度的破坏。 当结合界面缩小到一定程度时， 射流的持续冲击可将SiC 颗粒剥离材料表面，具体示意见图12。

上述材料去除机理可从加工电流中得到验证。图13 是加工电压120 V 下检测到的加工电流，可见在加工过程中加工电流总体表现出增大的趋势，这是由于随着电化学射流加工的进行，加工区域直径和孔深增加，导致加工区域与射流的接触面积增大；电流是电流密度在投影面积上的积分，当电流密度保持不变时，射流中的总电流会随着加工而增大。 观察图13 还发现，加工电流呈现上下波动的现象， 这主要是由于SiC 增强相与铝基体的位置关系改变导致，铝基体阳极溶解使得碳化硅颗粒凸于工件表面，当铝基体进一步溶解后，碳化硅颗粒在射流的冲击作用下从铝基体中剥落，使得参与铝基体阳极溶解的表面面积突然增大， 导致电流突然上升；然后，随着新的SiC 颗粒凸于加工表面，又导致铝基体阳极溶解表面减少，出现了加工电流短时间下降的趋势。

3 结束语

（1）电化学射流加工方法具有加工低体积分数SiC 颗粒增强铝基复合材料的能力，SiCp/Al 复合材料的电化学射流加工去除机理为：SiC 颗粒周围的铝基体率先通过阳极溶解的方式得以去除， 造成SiC 颗粒与铝基体之间的结合界面缩小， 部分SiC颗粒凸于加工表面， 并承受着高压射流的连续冲击； 射流的连续冲击会导致结合界面逐步被破坏，当结合界面缩小到一定程度会被完全破坏，SiC 颗粒被射流冲刷而脱落。

（2）SiCp/Al 复合材料的加工表面粗糙度会受到SiC 增强相尺度及体积分数的影响，SiC 颗粒粒径越大，表面粗糙度值越高，本文条件下得到的表面粗糙度值为Ra3～5 μm； 材料去除效率与加工电流密度的大小呈正比例关系，这与电化学射流加工单一金属材料类似。