基于陶瓷基復(fù)合材料飛秒激光制孔工藝研究

■ 趙晨曦，桓恒，李偉劍，劉瑞軍

航空、航天發(fā)動機的推重比與其熱端部件的工作溫度密切相關(guān)。下一代航空發(fā)動機的推重比＞12，要求提高熱端部件的工作溫度到接近2000K。碳化硅陶瓷基復(fù)合材料具有低密度、高比強、高比模、耐高溫、耐磨損和耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)點，同時由于纖維的增強和增韌作用，有效提高了陶瓷材料的斷裂韌性，因而在航空航天領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。但CMC-SiC復(fù)合材料是一種難加工材料，其硬度為2840~3320HV，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。因此，尋找一種高精度、高質(zhì)量的加工手段迫在眉睫。

飛秒激光的加工原理是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，當?shù)入x子體濃度達到一定臨界值時，材料開始強烈吸收激光能量，直至材料被去除。其加工單脈沖時間短，熱量還沒有擴散到基體就已經(jīng)完成了加工，由此實現(xiàn)飛秒激光的“冷加工”。同時，飛秒激光加工是一個非線性、非平衡過程，具有閾值效應(yīng)明顯、極小化熱影響區(qū)、極小化重鑄層、可控性高等特點，可以有效避免在加工過程中出現(xiàn)的再鑄層、微裂紋等微觀組織缺陷，具備在CMC-SiC復(fù)合材料上的微孔加工能力。

1. 飛秒激光制孔工藝

（1）研究對象 本試驗以陶瓷基CMC-SiC復(fù)合材料作為研究對象，通過采用飛秒激光加工技術(shù)對陶瓷基復(fù)材板上分布的微孔進行研究試驗，以提高微孔的加工質(zhì)量，達到微孔表面無重熔層、微裂紋等缺陷的要求。

試片規(guī)格：30mm×20mm×4mm。試片預(yù)處理：將試片置于超聲波清洗機中清洗10~15min后，使用氣槍吹干。其中，清洗液為酒精和水的混合液，比例為1:10。

（2）工藝試驗研究 整個工藝開發(fā)及加工過程在千級超凈室內(nèi)進行。通過高功率制孔、低功率修孔兩道工步實現(xiàn)CMCSiC復(fù)合材料微孔成形加工。為了加工出?1.7mm的孔徑，首先采用高功率制孔，其加工目的為實現(xiàn)復(fù)合材料的一次打穿，形成正反面孔的直徑比在1:0.7~1:0.8之間；再次采用低功率修孔，實現(xiàn)微孔正反面孔的直徑比達到1:0.95以上，隨即精修孔，完成孔壁的光整。具體的試驗設(shè)置參數(shù)如表1、表2所示。

（3）工藝分析 飛秒激光采用旋轉(zhuǎn)加工方法，其掃描方式可以分為環(huán)形掃描和螺旋線掃描兩種路徑，如圖1所示。兩種加工方式都會伴隨著激光器Z軸方向的運動，使焦點位置不斷沿著孔深度方向向下移動。

螺旋線掃描的方式是一種面掃描的方式，激光加工曲線形成由內(nèi)到外再到內(nèi)的螺旋線循環(huán)方式，在電動機的高速帶動下，實現(xiàn)單個平面的掃描，伴隨著激光與工件的相對運動，可以在工件上實現(xiàn)深孔的加工。

環(huán)形掃描方式是一種線掃描的方式，在電動機的帶動下，在一個平面內(nèi)形成外輪廓圓形的掃描軌跡，伴隨著激光與工件的相對運動，可以在工件上實現(xiàn)內(nèi)壁光整的效果。

本工藝采用兩種掃描方式結(jié)合的加工方式，制孔及精修部分采用螺旋線掃描的加工方式，精修孔采用環(huán)形掃描的加工方式。制孔工藝目的為實現(xiàn)微孔的打穿，使激光加工的殘渣能夠向下流通，減弱在激光和工件之間形成的等離子體云，使加工的效果更好。修孔工藝的目的為提高孔的錐度及孔型的修整。精修孔的目的為實現(xiàn)孔壁的光整，降低內(nèi)壁的粗糙度。

2. 加工質(zhì)量分析與檢測

按照表2所提供的工藝參數(shù)，采用飛秒激光兩步加工法在C M C-S i C復(fù)合材料上完成f1.7mm的小孔加工，可獲得正反面圓度及錐度均良好的通孔。

具體分析如下：

（1）超景深顯微鏡分析 采用Olympus超景深顯微鏡對加工后的試樣拍攝觀察。分別選取了一次制孔后和最終加工后的正反面孔進行分析。

圖2為一次加工后的微孔正反面形貌。圖2a中正面孔形圓度較好，在孔的邊緣呈現(xiàn)一定的“鋸齒形”，而圖2b中反面則呈現(xiàn)出完全的鋸齒形，處于一種未完全加工的狀態(tài)。

圖1 飛秒激光加工的光束掃描方式

圖2 一次加工孔的正反面形貌

表1 飛秒激光加工參數(shù)

表2 參數(shù)設(shè)置

圖3為最終加工后的微孔正反面形貌。圖3中正反面的圓度均加工至理想狀態(tài)，正面孔徑為1753.794μm，反面孔徑為1740.879μm。其差值僅為13μm，錐度值（反面孔徑/正面孔徑）為99.26%，已經(jīng)形成了理論上的“圓柱孔?！?/p>

（2）S E M掃描電鏡分析 采用Ultra Plus型場發(fā)射分析掃描電子顯微鏡，對試樣金相做掃描，將加工后的微孔置于掃描電鏡下進行觀察，其孔的整體狀態(tài)如圖4所示。孔的邊緣清晰，未出現(xiàn)再鑄層和微裂紋，孔的內(nèi)壁光滑，無分層現(xiàn)象。

（3）無損檢測 本文采用的無損檢測方法為連續(xù)掃查的方式進行微焦點CT檢測，其優(yōu)勢在于無需破壞微孔就可以實現(xiàn)內(nèi)壁的整體檢測。而CMC-SiC復(fù)合材料本身就是一種難加工材料，使用傳統(tǒng)的砂紙打磨的手段很難實現(xiàn)金相試樣的制備，而使用機加手段又會破壞基體，工業(yè)CT能夠滿足檢測條件。

如圖5為飛秒激光加工孔的CT掃描檢測照片，用于觀測孔壁情況。圖中使用黃線圈出的部分為材料本身受制造水平存在的分層缺陷。根據(jù)圖片可以看出，飛秒激光加工后的孔壁為垂直狀態(tài)，驗證了加工后的孔形呈現(xiàn)為圓柱形?？妆诠饣?，無再鑄層、微裂紋缺陷，同時孔壁附近未顯示出圈出的黑色斑點，即飛秒激光加工后不會導(dǎo)致分層缺陷。

3. 結(jié)語

（1）在合適的工藝參數(shù)下，采用飛秒激光可實現(xiàn)CMCSiC復(fù)合材料的小孔加工，并已驗證其工藝可行性。

圖3 最終加工孔的正反面形貌

圖4 微孔掃描電鏡微觀形貌

圖5 CT檢測縱向微觀形貌

（2）通過超景深顯微鏡、掃描電鏡及無損檢測等手段對加工后的?1.7mm小孔進行檢測，證明飛秒激光加工CMC-SiC復(fù)合材料小孔的圓度、錐度可以達到99%以上，同時表面不存在微裂紋及再鑄層等缺陷，孔深方向無分層出現(xiàn)。

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