碳化硅陶瓷基復(fù)合材料加工技術(shù)研究進(jìn)展*

王 晶,成來飛,劉永勝,劉小瀛,張 青

（西北工業(yè)大學(xué)超高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料重點實驗室，西安 710072）

碳化硅陶瓷基復(fù)合材料（CMCSiC，包含SiC/SiC和C/SiC兩種材料）具有低密度、高比強(qiáng)、高比模、耐高溫、耐磨損和耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)點[1-5]，同時由于纖維的增強(qiáng)和增韌作用，有效提高了陶瓷材料的斷裂韌性，因而在航空航天、能源、交通等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景[6-11]。

二次加工是CMC-SiC復(fù)合材料及其構(gòu)件制備過程中不可或缺的重要環(huán)節(jié)，尤其是隨著實際服役環(huán)境的日益苛刻，CMC-SiC復(fù)合材料的超精細(xì)微納加工的要求越來越高：如用于制造渦輪整體葉盤和渦輪靜子件及發(fā)動機(jī)調(diào)節(jié)片等精密構(gòu)件、航空發(fā)動機(jī)燃燒室火焰筒和渦輪葉片的氣膜冷卻孔（直徑 300～700μm）、核包殼管的封裝微孔等，加工質(zhì)量的高低將嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能和使用性能。但是，CMC-SiC復(fù)合材料是一種難加工材料，其硬度為2840～3320kg/mm2，僅次于金剛石和立方氮化硼；且CMC-SiC復(fù)合材料屬于各向異性材料，容易在切削力的作用下產(chǎn)生毛刺、分層、撕裂、崩邊等損傷，易導(dǎo)致零件報廢，影響加工質(zhì)量[12-13]。因此，尋找一種高精度、高質(zhì)量的加工手段一直是研究人員所追求的熱點。

本文綜述了CMC-SiC復(fù)合材料加工方法的研究進(jìn)展,并分析了傳統(tǒng)加工與特種加工的優(yōu)缺點，最后指出激光加工技術(shù)在CMC-SiC復(fù)合材料加工方面體現(xiàn)出強(qiáng)大的發(fā)展?jié)摿?。同時，對激光加工技術(shù)的原理與加工工藝進(jìn)行了分析，重點介紹了超短脈沖激光加工CMC-SiC復(fù)合材料的這一“冷”加工技術(shù)在微、精、細(xì)加工等領(lǐng)域的獨特優(yōu)勢，為該技術(shù)在CMCSiC復(fù)合材料的應(yīng)用提供理論依據(jù)和試驗支撐。

CMC-SiC加工技術(shù)

CMC-SiC復(fù)合材料的二次加工技術(shù)是促進(jìn)其應(yīng)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(jì)的航空技術(shù)》報告中曾表示，在其發(fā)動機(jī)材料研究規(guī)劃中要優(yōu)先發(fā)展陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝及其加工技術(shù)[14]。目前，可用于CMC-SiC復(fù)合材料的加工方法主要有傳統(tǒng)的機(jī)械加工、高壓水射流加工、超聲波加工、電火花加工和激光加工等[15-27]。

1 傳統(tǒng)機(jī)械加工技術(shù)

傳統(tǒng)機(jī)械加工主要是指對CMC-SiC復(fù)合材料進(jìn)行車削、切削、磨削、鉆孔等，其方法具有工藝成熟、操作簡單、加工效率高及設(shè)備投入少等特點，西北工業(yè)大學(xué)超高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料重點實驗室利用自主研發(fā)的金剛石刀具，發(fā)展了CMC-SiC材料的機(jī)械加工技術(shù)，解決了大型復(fù)雜薄壁構(gòu)件的切割、打孔、打磨、拋光等加工技術(shù)難題（圖1）。王平等[18]研究了Cf/SiC陶瓷基復(fù)合材料的車削加工工藝，證明了利用傳統(tǒng)機(jī)械加工方式加工C/SiC復(fù)合材料的可行性。但該方法也存在刀具（鉆頭）磨損過快，材料表面受到機(jī)械應(yīng)力作用，容易在材料表面產(chǎn)生凹坑、毛刺、撕裂等問題（見圖2[19]），嚴(yán)重制約了加工質(zhì)量與加工精度，同時加工過程產(chǎn)生大量碎屑和粉塵，加工環(huán)境有待改善。

圖1 傳統(tǒng)機(jī)械加工的CMC-SiC復(fù)合材料構(gòu)件Fig.1 CMC-SiC composite structure machined by traditional technology

圖2 機(jī)械加工后復(fù)合材料形貌Fig.2 Microstructures of composites after mechanical machining

2 特種加工技術(shù)

為了解決上述傳統(tǒng)機(jī)械加工方法由于刀具磨損與切削熱引發(fā)的加工精度、表面質(zhì)量、生產(chǎn)環(huán)境等問題，特種加工技術(shù)逐漸發(fā)展起來。特種加工技術(shù)區(qū)別于傳統(tǒng)加工方法，屬于非接觸式加工，成功應(yīng)用于CMCSiC復(fù)合材料的特種加工技術(shù)包括高壓水射流法、超聲加工技術(shù)、電火花加工技術(shù)、激光加工技術(shù)。

高壓水射流法能夠克服傳統(tǒng)機(jī)械加工的部分缺點，對加工樣品的厚度幾乎沒有限制，且加工阻力較小，不易出現(xiàn)撕裂和分層現(xiàn)象。西北工業(yè)大學(xué)超高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料重點實驗室發(fā)展了CMC-SiC材料的高速磨料流加工技術(shù)，解決了CMC-SiC材料切割、打孔的加工速度和效率問題（圖3）。焦健等[20]研究了高壓水射流法對SiC/SiC復(fù)合材料的切削和打孔加工，結(jié)果表明在加工中通過調(diào)整工藝參數(shù)能夠獲得預(yù)期的試驗結(jié)果。但在研究中同時發(fā)現(xiàn)，高壓水射流法在加工工件厚度增加時容易在表面出現(xiàn)毛刺，且容易出現(xiàn)纖維拔出現(xiàn)象（圖4（a））和崩邊現(xiàn)象（見圖 4（b））[20]，對復(fù)合材料的加工質(zhì)量產(chǎn)生極大影響。高壓水射流的特點主要適合于構(gòu)件的外形粗切邊和制孔，且加工后構(gòu)件厚度方向易形成梯度。

超聲加工是超聲波發(fā)生器通過將電能轉(zhuǎn)變?yōu)槌曤婎l振蕩，并固定在振幅擴(kuò)大工具上，產(chǎn)生超聲振動，利用工作液中的懸浮顆粒對工件表面進(jìn)行撞擊和拋磨來實現(xiàn)材料去除（圖5）[21]。其優(yōu)點在于能夠加工到點和絕緣材料，且不受材料硬度限制，能夠加工復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)，同時具有加工速度快和無熱效應(yīng)的特性[21-22]。但是其加工精度受到其加工振幅限制，更適合于表面切削和復(fù)雜三維型面的加工，無法滿足高精度數(shù)百微米級別微孔加工的需求。

圖3 高壓水射流法加工復(fù)合材料構(gòu)件Fig.3 CMC-SiC composite components machined by waterjet

圖4 采用高壓水射流加工后的SiC/SiC材料表面Fig.4 Microstructures of SiC/SiC machined by waterjet

圖5 超聲波加工原理Fig.5 Principle of ultrasonic machining

電火花加工是通過懸浮于電介質(zhì)中的高能等離子體的刻蝕作用,使表層材料發(fā)生熔化、蒸發(fā)或熱剝離而達(dá)到加工材料的目的。由于加工過程中模具未與工件直接接觸,故無機(jī)械應(yīng)力作用于材料表面, 因此電火花加工是一種無接觸式精細(xì)熱加工技術(shù)[23]。Muttamara等用普通電火花成形機(jī)和輔助電極電火花加工系統(tǒng)相結(jié)合，在Si3N4陶瓷工件上成功地加工了直徑55μm的微孔（圖6）[24]。同時，由于大多數(shù)陶瓷材料是離子型、共價型或二者結(jié)合的多晶材料,為電的絕緣體, 限制了該技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用。

激光加工原理

以激光作為加工能源, 在硬脆性陶瓷材料加工方面的應(yīng)用發(fā)展?jié)摿σ岩姸四遊25-26]：它可以實現(xiàn)無接觸式加工，減少了因接觸應(yīng)力而對陶瓷帶來的損傷；聚焦的高能激光束作用于陶瓷局部區(qū)域的能量可達(dá)108J/cm2以上,加之陶瓷材料對長波長激光的吸收率高達(dá)80%以上, 瞬間就可使材料熔化蒸發(fā),實現(xiàn)高效率加工；由于聚焦光斑小,其熱影響區(qū)小,可以達(dá)到精密加工的要求；激光的低電磁干擾以及易于導(dǎo)向聚焦的特點,方便實現(xiàn)三維及特殊面的激光加工,因此激光加工技術(shù)十分適合用于加工陶瓷材料（圖7）[26]。根據(jù)激光器作用方式的不同，激光加工通?？煞譃閮煞N：連續(xù)激光加工和脈沖激光加工。

1 連續(xù)激光加工原理

連續(xù)激光屬于熱加工，它是指利用激光束投射到材料表面產(chǎn)生的熱效應(yīng)來完成加工過程，通過聚焦獲得高能量，達(dá)到使固體材料通過融化或蒸發(fā)而消除的目的。由于激光的發(fā)散角小和單色性好，理論上可以聚焦到尺寸與光的波長相近的小斑點上，再加上其強(qiáng)度高，因此其加工的功率密度可達(dá)到 108～1010W/cm2，溫度可達(dá)1萬℃以上。在這樣的高溫下，任何材料都將瞬時急劇熔化和汽化，并爆炸性地高速噴射出來，同時產(chǎn)生方向性很強(qiáng)的沖擊。因此，連續(xù)激光加工是材料在光熱效應(yīng)下產(chǎn)生高溫熔融和受沖擊波拋出的綜合過程，這種加工過程可分為3個階段（圖8）：加工材料吸收激光能量；光能轉(zhuǎn)化為熱能使材料加熱；通過熔化、汽化去除材料[27]。

圖6 電火花加工Si3N4復(fù)合材料微孔形貌Fig.6 Morphology of Si3N4machined by electric discharge machining

圖7 激光加工的陶瓷構(gòu)件Fig.7 Ceramics components machined by laser

圖8 連續(xù)激光光束與材料相互作用過程示意圖Fig.8 Schematic diagram of interaction with continuous laser beam and materials

2 超短脈沖激光加工原理

脈沖激光器是指激光借助高能量、高密度光子引發(fā)或控制光化學(xué)反應(yīng)的各種加工過程，也稱為激光光化學(xué)反應(yīng)加工。其單個激光脈沖寬度小于0.25s，每間隔一段時間才工作一次的激光器具有很大輸出功率，適用于激光打標(biāo)、切割和測距等。脈沖激光又可根據(jù)脈沖寬度的不同分為長脈沖激光（＞100ns）和短脈沖激光（＜100ns）。

近些年來，隨著超短脈沖激光技術(shù)的發(fā)展，其“冷加工”特性在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用已逐步引起人們的重視。超短脈沖激光與材料的作用過程為：首先，通過非線性吸收過程吸收激光能量，在材料內(nèi)部形成等離子體（見圖9），非線性吸收過程主要通過多光子電離和雪崩電離實現(xiàn)[28]。然后，當(dāng)?shù)入x子體濃度達(dá)到一定臨界值時，材料開始強(qiáng)烈吸收激光能量，直至材料被去除。

在超短脈沖激光加工機(jī)理研究方面，Yalukova等[29]使用不同波長激光對有纖維和無纖維增強(qiáng)的聚合物進(jìn)行加工，分析超短脈沖激光與聚合物復(fù)合材料的加工機(jī)理，結(jié)果表明：對于波長為1064nm（紅外光波段）的激光和532nm（可見光波段）激光，主要以熱熔融方式去除，加工孔邊緣易形成熱影響區(qū)；而對于波長為266nm（紫外光波段），多光子吸收為激光與材料作用的主要機(jī)理，主要以價鍵斷裂方式去除材料，孔邊緣熱影響區(qū)很小。趙清亮等[30]分析了飛秒激光加工SiC燒蝕閾值及去除機(jī)理，結(jié)果表明：SiC與飛秒激光作用是典型的多光子和非線性吸收過程，材料去除以汽化和爆炸機(jī)制為主。

圖9 超短脈沖激光打孔過程中不同類型的等離子體Fig.9 Different types of plasma in ultrashort laser drilling

激光加工工藝

激光加工是一種新興的加工手段，主要利用激光束投射到材料表面產(chǎn)生的熱效應(yīng)來完成加工過程，通過聚焦獲得高能量，達(dá)到使固體材料通過融化或蒸發(fā)而消除的目的，從而實現(xiàn)對材料的切割、焊接、表面處理及微加工[31]（見圖10[26]）。它對材料的種類和硬度無選擇性，應(yīng)用范圍很廣，對高硬度材料和大批量加工有很大的優(yōu)勢[32-35]。

圖10 激光加工過程示意圖Fig.10 Schematic diagram of laser processing

1 連續(xù)激光加工

連續(xù)型激光器可在一段較長時間范圍內(nèi)以連續(xù)方式持續(xù)進(jìn)行激光輸出，可實現(xiàn)激光焊接、激光打孔、激光切割等，被加工材料通過熔化、蒸發(fā)的方式得以去除。連續(xù)激光加工對材料種類變化的適應(yīng)性強(qiáng)，加工速度快，應(yīng)用范圍廣，特別是在高硬度材料的大批量加工中具有優(yōu)勢[36-37]。但是，由于加工中易形成重鑄層、微裂紋和熱影響區(qū)，其應(yīng)用有很大局限性（見圖 11（a））。

圖11 連續(xù)激光與超短脈沖激光加工效果對比Fig.11 Comparison of the machining effects between continuous laser and ultrashort pulse laser

2 超短脈沖激光加工

超短脈沖激光一般是指脈沖寬度小于10ps的激光脈沖。其加工精度高，加工損傷較小，是精密微加工的理想工具，其加工效果明顯優(yōu)于連續(xù)激光加工（見圖11（b））。Moreno等[38]研究了飛秒激光對碳材料增強(qiáng)聚合物材料的微加工試驗，結(jié)果表明：碳纖維增強(qiáng)聚合物能夠獲得較好的加工效果，填充物的尺寸和形狀對加工質(zhì)量的影響較大。Das等[39]研究了150fs激光對具有熱障涂層的高溫合金的微孔加工，試驗表明加工后樣品無分層、重鑄和裂紋等嚴(yán)重?fù)p傷，且具有較高的內(nèi)壁光潔度，但加工效率較低。

CMC-SiC復(fù)合材料超短脈沖激光加工

作為激光加工技術(shù)的一個分支，超短脈沖激光因其加工CMC-SiC復(fù)合材料具有近乎零損傷、精度高、無重鑄層等優(yōu)點，成為加工技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點。Hu等[40]研究了采用超短脈沖激光加工SiC/SiC復(fù)合材料微小通孔與盲孔，分析了其加工特性，研究表明：加工后微孔壁面光滑，表面無重鑄層，并可保證其加工精度。Wang等[41-43]開展了皮秒激光對C/SiC復(fù)合材料的微加工工藝和機(jī)理研究，其結(jié)果表明皮秒激光參數(shù)，如加工功率（圖12）、加工步進(jìn)、掃描速度等對C/SiC復(fù)合材料微孔加工質(zhì)量和效率有較大影響。加工功率較低時，激光功率密度較低，孔內(nèi)形成的反沖氣壓較低，則孔內(nèi)形成的碎屑不能及時噴出孔外，使得出口處直徑遠(yuǎn)小于入口處直徑，軸向錐度明顯；加工功率較高時，打孔過程中形成大量蒸汽相物質(zhì)，孔內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波，形成反沖高壓，使得去除物質(zhì)從孔內(nèi)高速向外噴射（圖13）。Liu等[44-45]開展了使用皮秒激光對SiC/SiC復(fù)合材料的微加工工藝和機(jī)理研究，其結(jié)果表明皮秒激光參數(shù)，如能量密度、掃描速度、加工方式（見圖14）等對SiC/SiC復(fù)合材料微孔加工的質(zhì)量和效率有較大影響[45]。

西北工業(yè)大學(xué)超高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料重點實驗室對C/SiC復(fù)合材料超短脈沖激光加工進(jìn)行了系統(tǒng)深入研究，結(jié)果表明該技術(shù)加工分辨率高，具有優(yōu)異的加工精度與一致性，可成功實現(xiàn)C/SiC復(fù)合材料精密、低損傷、高效率的加工需求，圖15和圖16分別展示了C/SiC復(fù)合材料構(gòu)件陣列微孔與方槽超短脈沖激光加工。

圖12 加工功率不同的C/SiC皮秒激光加工微孔形貌Fig.12 Morphology of drilling holes with diflerent processing powers in C/SiC by picosecond laser

圖13 加工功率不同的C/SiC皮秒激光加工模型Fig.13 Drilling models for C/SiC with different processing powers by picosecond laser

圖14 不同加工模式下的SiC/SiC皮秒激光加工微孔形貌Fig.14 Morphology microholes in SiC/SiC composites under different machining modes

結(jié)束語

圖15 超短脈沖加工C/SiC復(fù)合材料構(gòu)件陣列微孔Fig.15 Array micro-holes of C/SiC components machined by ultrashort laser

圖16 超短脈沖加工C/SiC復(fù)合材料構(gòu)件方槽Fig.16 Square groove of C/SiC components machined by ultrashort laser

隨著CMC-SiC復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，發(fā)展高效精密加工技術(shù)顯得較為迫切。傳統(tǒng)機(jī)械加工技術(shù)在加工CMC-SiC復(fù)合材料時具備工藝簡單、加工效率高等優(yōu)點。同時為了提高該技術(shù)的加工精度，應(yīng)采用電鍍超硬磨料刀具或與特種加工工藝相結(jié)合。特種加工技術(shù)如高壓水射流加工、超聲波加工、電火花加工等，需要一系列的革新以滿足CMCSiC復(fù)合材料的加工需求。例如：高壓水射流加工中應(yīng)采用硅砂等硬度較小的磨料，以實現(xiàn)低損傷加工；超聲波加工中應(yīng)采用旋轉(zhuǎn)超聲波儀器，將系統(tǒng)的加工效率提高6～10倍；電火花加工中可采用電解液法和高電壓法來創(chuàng)造產(chǎn)生火花放電的條件,實現(xiàn)對非導(dǎo)電陶瓷的加工。

激光加工技術(shù)作為新型特種加工工藝，對提高加工精度、自動化生產(chǎn)、“綠色制造”、減少材料損耗等方面起著越來越重要的作用。一方面，系統(tǒng)開展有關(guān)激光加工工藝及作用機(jī)制研究具有重要意義；另一方面，采用激光與其他技術(shù)復(fù)合可顯著提高加工效率與加工精度，顯示出更為廣泛的應(yīng)用潛力，如：在噴射液束電解-激光復(fù)合工藝技術(shù)、激光輔助切削技術(shù)、激光復(fù)合焊接技術(shù)、激光復(fù)合電火花技術(shù)等。

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