纖維增強陶瓷基復合材料加工技術(shù)研究進展

王 超 ，李凱娜 ，陳 虎 ，馬小民

（1.高性能陶瓷纖維國家地方聯(lián)合工程研究中心，蘇州 215000；2.蘇州賽菲集團有限公司，蘇州 215000）

20世紀70年代初，Aveston在連續(xù)纖維（以下簡稱纖維）增韌聚合物基復合材料（FRPMCs）和纖維增韌金屬基復合材料（FRMMCs）研究的基礎(chǔ)上，提出了纖維增強陶瓷基復合材料的概念，開辟了高性能陶瓷材料研究的新方向[1]。纖維增強陶瓷基復合材料（Fiber Reinforced Ceramic Matrix Composites，F(xiàn)RCMCs)是將纖維（如C纖維、SiC纖維等）作為復合材料的增強體引入到陶瓷基體中制備的一種高性能復合材料。由于它具有高熔點、低密度、耐腐蝕、抗燒蝕以及抗氧化等一系列優(yōu)點，被列為新一代高溫熱結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展重點，在航空、航天、能源等領(lǐng)域具有極大的應用前景[2-4]。隨著陶瓷基復合材料應用領(lǐng)域的不斷擴大，纖維增強陶瓷基復合材料的制備和加工技術(shù)受到越來越廣泛的重視。

國際上，尤其是日本、歐美等發(fā)達國家對FRCMCs進行了深入研究，在制備技術(shù)及加工技術(shù)等方面成果卓著。在傳統(tǒng)機械加工領(lǐng)域，特別是磨削加工技術(shù)方面，日本和德國處于世界前列；在特種加工技術(shù)領(lǐng)域，日本東京大學和美國堪薩斯州立大學在超聲波加工技術(shù)方面作了深入研究，如美國賓夕法尼亞大學、愛荷華州州立大學，日本千葉工藝研究所、德國斯圖加特大學、Fraunhofer生產(chǎn)技術(shù)學院，俄羅斯科學院等[5]都對激光加熱輔助工藝進行了研究，而日本[6]、英國、比利時、西班牙[7]對電火花加工結(jié)構(gòu)陶瓷材料的研究報道較多。這些發(fā)達國家無論是在制備技術(shù)方面還是在加工設(shè)備的制造方面都走在世界前列，尤其是機床研發(fā)方面，像德國的Guhring Automation公司、美國Connectient大學研發(fā)中心、日本三菱重工等研發(fā)的機床制備精良。當前，依靠先進的復合材料制備工藝和精良的加工技術(shù)已成功制備出多種復合材料結(jié)構(gòu)件并實現(xiàn)應用，如美國生產(chǎn)的X-33、X-37、X-38航天試驗機上采用大量的Cf/SiC復合材料代替原有的金屬材料（見圖1），降低了運載器的重量，同時提高了飛行器的耐沖擊性[8]。洛克公司以SiCf/SiC陶瓷基復合材料開發(fā)出來的耐熱瓦，已有3萬余塊用于美國哥倫比亞號航天飛機上（見圖2）[9]。法國SEP公司建成了世界上第一座具有工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模的SiCf/SiC和Cf/SiC復合材料制造廠，其陶瓷基復合材料制造水平世界領(lǐng)先[10]。國內(nèi)對于陶瓷基復合材料的研究主要集中在纖維、先驅(qū)體等原材料的制備和復合成型工藝等方面[11]，國防科技大學在SiC纖維、陶瓷先驅(qū)體以及PIP工藝等方面作出突出貢獻，西北工業(yè)大學在CVI工藝方面研究成果顯著，中科院上海硅酸鹽研究所對MI工藝進行了卓有成效的研究。

陶瓷基復合材料的制備工藝是其產(chǎn)業(yè)化應用的一個重要方面，同時復合材料的后序加工技術(shù)也是促進其應用產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵因素。美國國家航空航天局（NASA）在《21世紀的航空技術(shù)》報告中曾表示，在其發(fā)動機材料研究規(guī)劃中要優(yōu)先發(fā)展陶瓷基復合材料的制備工藝及其加工技術(shù)[12]。2013年，法國Fives公司收購了美國MAG公司（MAG公司在高端、大型和復雜零件加工方案的制定和復合材料工藝方面處于世界領(lǐng)先水平[10]），顯示出法國對陶瓷基復合材料加工工藝的高度重視。

我國在連續(xù)纖維增強陶瓷基復合材料方面的研究起步較晚，與歐美等發(fā)達國家有很大差距。國內(nèi)對陶瓷基復合材料還處于應用研究階段，在制備工藝，尤其是快速制備技術(shù)方面與國外差距較大。近年來，隨著國家對陶瓷基復合材料重視程度的不斷提升，國內(nèi)陶瓷基復合材料研究取得一些進步，但是在增強纖維、復合材料的連接及其加工技術(shù)等方面還需要進行深入的研究。

圖1 X-37B航天飛行器上的Cf/SiC熱防護層Fig.1 Cf/SiC thermal protection layer in X-37B aerospace craft

圖2 美國航天飛機及其隔熱瓦Fig.2 American space shuttle and its heat shield

纖維增強陶瓷基復合材料加工工藝

在纖維增強陶瓷基復合材料的制備工藝中，如PIP工藝雖然可以實現(xiàn)近凈成型，但仍需進行二次加工，尤其纖維增強陶瓷基復合材料用于制造渦輪整體葉盤、渦輪靜子件、發(fā)動機調(diào)節(jié)片等精密構(gòu)件時，二次加工質(zhì)量的高低將嚴重影響結(jié)構(gòu)件的力學性能和使用壽命。因此，科研工作者對復合材料的理論研究和二次加工技術(shù)越來越重視，并在材料的加工機理、刀具的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)以及質(zhì)量評價等方面展開研究[13]。陶瓷基復合材料（Ceramic Matrix Composite，CMC）的加工工藝可分為傳統(tǒng)機械加工和特種加工。下面分別對傳統(tǒng)機械加工工藝和特種加工工藝及其研究進展進行簡單介紹。

1 傳統(tǒng)機械加工工藝研究進展

機械加工即采用金屬材料的加工技術(shù)對陶瓷材料進行加工，主要包括銑削、切削、磨削、鉆削等[14]加工方法。對于傳統(tǒng)機械加工的研究主要是集中在刀具選擇和加工工藝。西安航天發(fā)動機廠的王平等[15]以Cf/SiC陶瓷基復合材料噴管為例，闡述了纖維增強陶瓷基復合材料車削加工難點，并提出了解決方案：采用先車削后磨削的機械加工工藝，通過在車削過程中選用不同材質(zhì)的刀具以及采用合適的切削用量的方法，成功完成了對陶瓷基復合材料噴管連接部位的車削加工。湖北三江航天江北機械工程有限公司的周大華等[16]通過大量的工藝試驗，設(shè)計了合理可行的Cf/SiC纖維增強陶瓷材料型面數(shù)控加工工藝，并從工藝系統(tǒng)控制、刀具選擇、切削參數(shù)計算和走刀路徑優(yōu)化等方面研究了Cf/SiC纖維增強陶瓷材料的型面加工工藝。大連理工大學的畢銘智[13]以Cf/SiC陶瓷基復合材料為研究對象，系統(tǒng)研究了制孔和銑削過程中刀具選擇、典型缺陷成因及評價以及加工工藝參數(shù)的設(shè)定，采用不同刀具對Cf/SiC復合材料進行鉆削和銑削對比試驗，最終確定Cf/SiC復合材料最佳鉆削制孔和最佳銑削刀具。中航工業(yè)復合材料技術(shù)中心焦健等[17]研究了機械加工對SiCf/SiC復合材料表面形貌的影響，采用磨削工藝對SiCf/SiC復合材料進行加工后其表面不平整，存在微裂紋。圖3是采用傳統(tǒng)機械加工工藝制備的復合材料構(gòu)件。

圖3 采用傳統(tǒng)機械加工工藝制備的復合材料構(gòu)件Fig.3 Composite structures prepared by traditional machining technology

2 特種加工工藝研究進展

為了減少由Cf/SiC、SiCf/SiC等復合材料后序加工造成的問題，通常將材料制備成特定的形狀和尺寸。但實際應用中仍然難以避免二次加工，而傳統(tǒng)機械加工切削力較大，刀具磨損嚴重，且在加工過程中容易產(chǎn)生毛刺、變形層、表面/亞表面微裂紋等缺陷，導致工件質(zhì)量下降。因此，為解決傳統(tǒng)機械加工方法存在的問題，越來越多的特種加工方法被開發(fā)出來，并成功應用于纖維增強陶瓷基復合材料的加工領(lǐng)域。所涉及特種工藝技術(shù)有超聲波技術(shù)、激光技術(shù)、高壓水射流技術(shù)和電火花技術(shù)等。

2.1 超聲波技術(shù)

超聲輔助加工是利用超聲波振子引發(fā)有關(guān)工具出現(xiàn)高頻與小振幅直線振動，通過材料表面與高速磨砂粒子撞擊，實現(xiàn)材料微去除。超聲輔助加工技術(shù)作用力小，對工件表面損傷小，加工質(zhì)量較好，但是其加工效率較低，適用于打孔和型腔成型加工等[18-19]。沈陽航空航天大學的姜慶杰[20]針對Cf/SiC加工困難的問題，提出了超聲扭轉(zhuǎn)振動銑削的加工方法，以傳統(tǒng)銑削加工為參照，在超聲扭轉(zhuǎn)振動銑削刀具運動學分析基礎(chǔ)上，選取不同工藝參數(shù)進行對比試驗，重點研究了超聲扭轉(zhuǎn)條件下與傳統(tǒng)銑削條件下切削力的變化規(guī)律、加工表面質(zhì)量、表面粗糙度及刀具磨損狀況，對于探索陶瓷基復合材料的加工具的選擇有重要指導意義。大連理工大學的馬付建[21]應用自行研制的超聲輔助切削裝置對三維編織C/C復合材料進行了超聲輔助車削與普通車削試驗，結(jié)果表明應用超聲輔助車削可以顯著提高材料表面加工質(zhì)量，同時降低切削力、切削溫度和刀具磨損等。

2.2 激光技術(shù)

激光是在外界光子的作用下使高能態(tài)的原子向低能態(tài)躍遷過程中釋放出來的光子，具有方向性、相干性、高能量的特性。激光加工就是利用其高能量的特性，以激光束作為熱源，在陶瓷材料表面局部產(chǎn)生高達上萬攝氏度的瞬時高溫，使材料熔融或汽化[22]。激光加工的優(yōu)點是加工過程中與工件無摩擦、無接觸，無需模具，通過控制激光束的聚焦位置實現(xiàn)材料的加工。激光加工分為一維、二維和三維加工[23]。一維加工主要是指激光打孔，圖4為激光打孔的樣件。二維加工主要用于激光切割，三維加工需要兩束或多束激光束同步作業(yè)完成，主要用于激光車削和銑削，用于復雜外形的零件的加工。陳錫讓等[24]采用激光脈沖模式進行陶瓷小孔加工研究，得出了脈沖寬度、脈沖重復率對加工質(zhì)量的影響；中科院寧波材料所[25]針對陶瓷基復合材料短脈沖激光加工技術(shù)方面做了大量工作，取得新進展——實現(xiàn)了3mm厚CMC材料的復雜形狀精密低損傷加工，處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。

近幾年在對激光加工技術(shù)不斷研究改進的基礎(chǔ)上，又相繼出現(xiàn)了納秒脈沖激光、液核光纖激光加工、水助激光加工等[26]再創(chuàng)新技術(shù)，推進了激光加工技術(shù)的發(fā)展。

2.3 高壓水射流技術(shù)

高壓水射流加工是在較高的工作壓力下，在高速流動的水流中加入一定數(shù)量的磨料顆粒后而形成的一種液固兩相高速射流，能切割金屬及非金屬材料[27]。張運祺[28]對高壓水射流切割復合材料的工作原理以及切割裝置做了系統(tǒng)介紹，該法是冷態(tài)切割，對材料無熱影響，加工精度較高。上海獅邁科技有限公司生產(chǎn)的高壓水射流設(shè)備——智能水刀系統(tǒng)處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。其智能水刀系統(tǒng)利用高壓水射流原理，結(jié)合智能軟件及精密多軸運動系統(tǒng)，大大提高了切割效率和切割精度（圖5）。

圖4 激光打孔的樣件Fig.4 Sample made by laser drilling

圖5 上海獅邁智能水刀系統(tǒng)Fig.5 Intelligent water jet system of Shanghai Lionstek CO., LTD.

2.4 電火花技術(shù)

電火花加工（Electro-Discharge Machining, EDM)是利用工具電極和工件電極間脈沖放電產(chǎn)生的電蝕現(xiàn)象實現(xiàn)對材料的加工[29]。其優(yōu)點是在加工過程中，工件和工具間無直接接觸，無機械力，不存在刀具磨損問題。根據(jù)所加工陶瓷材料的導電性的差異，可選擇不同的電火花加工方式：對于導電陶瓷材料，傳統(tǒng)電火花加工技術(shù)就可以實現(xiàn)加工；對于非導電性陶瓷材料，不能直接作為電極，一般采用電解液法和高電壓法。紀仁杰等[30]對非導電陶瓷材料的電火花加工進行了研究，提出一種基于輔助電極的電火花電弧復合加工方法，并對該方法的原理和特點進行了深入研究。

纖維增強陶瓷基復合材料加工技術(shù)存在的問題及發(fā)展趨勢

由于纖維增強陶瓷基復合材料具有強度大、硬度高、耐磨性好等特點，為其后續(xù)加工帶來很大的難度。采用傳統(tǒng)機械加工工藝加工纖維增強陶瓷基復合材料主要存在以下兩個問題：

（1）加工難度大，加工質(zhì)量差。對于CFRCMCs材料，由于增強纖維和陶瓷基體的強度和模量存在一定差異，加工過程中易出現(xiàn)纖維拔出、基體脫落等現(xiàn)象，導致材料表面出現(xiàn)微裂紋等缺陷。

（2）加工效率低，刀具磨損嚴重。陶瓷基復合材料的基體一般分為氧化物和非氧化物兩大類，硬度都比較高，如碳化硅莫氏硬度為9.2，而加工所采用的金剛石刀具材質(zhì)莫氏硬度為10，二者相差并不大，導致在加工刀具磨損嚴重，生產(chǎn)效率大大降低。

綜上，雖然機械加工工藝比較簡單，但是對于形狀復雜的、尺寸精度要求高的工程陶瓷部件往往難以奏效[22]。陶瓷基復合材料各種加工工藝特點如表1所示。

表1 陶瓷基復合材料不同加工工藝優(yōu)缺點比較

為滿足不同工件的加工要求，可以考慮將傳統(tǒng)加工工藝和特種加工工藝結(jié)合使用，或者將不同的特種加工工藝結(jié)合使用，采用多種能量形式，形成新型復合加工技術(shù)，這樣不僅可以揚長避短，并且不同的加工工藝之間相得益彰[31]。例如，對發(fā)動機調(diào)節(jié)片的二次加工處理，粗加工時，可以采用以金剛石刀具為主的機械加工，進行鉆孔等精加工時，可采用激光技術(shù)處理，使得各種工藝的優(yōu)點得到發(fā)揮，缺點得以彌補；再如激光加熱輔助切削，是采用激光束作為高能熱源加熱切削，不僅升溫迅速，而且還可以有效降低切削力，減少刀具磨損，提高加工質(zhì)量和效率；電火花、超聲和機械加工結(jié)合的復合加工工藝，既可提高生產(chǎn)效率，又可保證工件的表面質(zhì)量[32]。

結(jié)束語

陶瓷基復合材料的精密加工是實現(xiàn)其工程化應用的關(guān)鍵步驟，尤其在當前世界各國普遍對陶瓷基復合材料前景看好的情況下，廣泛開展陶瓷基復合材料加工技術(shù)的研究勢在必行。特種加工工藝，如超聲輔助加工、激光加工、智能水刀、電火花加工等需要進行一系列技術(shù)革新以滿足對陶瓷基復合材料的加工。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，相信纖維增強陶瓷基復合材料將會應用在更多的領(lǐng)域。

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