旋转超声加工C/SiC复合材料表面的服役性能研究

In order to improve the service performance of aeroengine, rotary ultrasonic macining is proposed to improve the residual stress and machining damage, which could promot the performance of anti-fatigue and ablation resistance. Material mechanics, kinematics, indentation fracture mechanics, combustion theory and heat transfer theory are combined to reveal the formation mechanism of RUM surface based on the composite removal characteristics and tool path interaction. The mechanism of ultrasonic vibration assistance on machining damage .and residual stress of C/SiC composite surface are investigated. Fatigue strength and ablation rate are analyzed by conducting fatigue and ablation experiments. Based on the investigation on residual stress and processing damage, the relationships between RUM parameters and ablation resistance (fatigue resistance) of C/SiC composite are established. It will provide theoretical basis for improving the service performance of aeroengine and promoting the application of rotary ultrasonic macining in aeronautics advanced manufacturing.

为进一步提高航空发动机的服役性能，创新性地提出了采用旋转超声加工C/SiC复合材料试件，改善表面残余应力和加工损伤特性，从而实现其抗疲劳性能和耐烧蚀性能的提升。本项目以材料学、运动学、压痕断裂力学、燃烧学以及传热学等为理论基础，揭示材料去除机制与切削刃运动轨迹干涉共同作用下的C/SiC复合材料表面形成机制。 阐明超声振动能量的摄入对C/SiC复合材料表面加工损伤和残余应力特性改善的作用机理。通过开展疲劳实验和烧蚀实验，对疲劳强度和烧蚀率进行检测分析。以残余应力和加工损伤为桥梁，分别构建旋转超声加工工艺参数与C/SiC复合材料试件耐烧蚀性能和抗疲劳特性的映射关系。为改善航空发动机的服役性能，推进旋转超声加工技术在航空先进制造领域的应用提供理论基础。

本项目提出将旋转超声铣削工艺作为一种表面强化加工技术应用于航空C/SiC复合材料的精加工任务中，探索超声作用对C/SiC复合材料常温和高温疲劳性能的影响机制。开展旋转超声铣削C/SiC复合材料去除机理研究，通过表面加工损伤、残余应力以及疲劳裂纹萌生扩展的研究，明确超声振动作用与疲劳界面强度和氧化损失率的关联关系，揭示旋转超声铣削C/SiC样件抗疲劳性能机理。主要内容如下：.（1）构建了识别旋转超声铣削纤维断裂去除模式的理论模型，揭示了超声振动对促进纤维断裂的机制，开展了不同纤维切角下的旋转超声铣削C/SiC表面形貌实验研究。理论和实验结果表明高频低振幅振动增加了纤维横截面的应力集中，使得各向异性的纤维更容易发生剪切断裂，纤维剪切角的比例提高了30%。.（2）开展了旋转超声铣削C/SiC疲劳样件表面质量研究，对加工表面进行三维粗糙度和加工损伤观测。基于拉曼频移与纤维应力关系，进行了表面纤维残余应力测量与计算，通过C/SiC加载卸载实验揭示了旋转超声铣削对残余热应力的影响机制。实验结果表明，旋转超声铣削的粗糙度Sq数值平均降低了37.9%，表面纤维残余压应力最大值可达2GPa，纤维中的轴向残余热应力达到了662.4MPa。.（3）基于剪切滞后理论构建了超声振幅与C/SiC复合材料界面结合强度的理论模型，阐明了超声振动对界面结合强度的弱化机理，开展了旋转超声铣削C/SiC复合材料常温高周疲劳和剩余强度实验研究。对比分析了五组不同超声振幅铣削的C/SiC样件损伤积累过程、损伤峰值寿命以及纤维增韧阶段，揭示了加工表面损伤和表面残余压应力对三类疲劳裂纹萌生扩展的影响机制。实验结果表明，纤维基体脱粘应力与界面结合强度有效降低，纤维增韧效应显著，平均疲劳损伤速率最大下降了80.5%，剩余强度提高了19.6%，疲劳强度相较传统铣削提升了9.4%。.（4）建立了超声铣削C/SiC氧化失重率理论模型，揭示了高频低幅的刀具振动对C/SiC复合材料抗氧化性能的作用机制，开展了有无超声铣削C/SiC高温疲劳寿命试验，明确了超声能量场的摄入对C/SiC高温疲劳寿命的影响规律，观测了有无超声铣削C/SiC高温疲劳实验后的断口形貌。实验结果表明，高频冲击振动使得C/SiC基体开裂强度和纤维韧性显著提高，氧气扩散速率有效降低，材料抗氧化性能显著，相较传统铣削C/SiC高温疲劳寿命提高了110.8%。