激光類型對(duì)SiC/SiC復(fù)合材料孔加工的影響

楊金華, 黃望全, 馮曉星, 劉 虎, 艾瑩珺, 周怡然, 焦 健*

（1.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院 先進(jìn)復(fù)合材料科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京100095；2.中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司, 上海 200241）

隨著航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于耐高溫材料的需求也日益迫切。SiC/SiC復(fù)合材料由于具有耐高溫、抗氧化及低密度等重要特性，成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的新型耐高溫材料[1-3]。各大航空公司均投入大量研發(fā)力量進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，例如，美國(guó)GE公司已經(jīng)將該材料應(yīng)用到LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪外環(huán)、GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪外環(huán)、導(dǎo)向葉片及火焰筒等部位，實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用，該材料的應(yīng)用可以通過(guò)提高構(gòu)件的工作溫度及減重實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的提高[4-5]。目前，SiC/SiC復(fù)合材料的應(yīng)用已經(jīng)成為體現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)性的標(biāo)志性技術(shù)之一。

發(fā)動(dòng)機(jī)火焰筒、導(dǎo)向葉片等部件由于工作溫度高[6]，需采用低溫氣體對(duì)其進(jìn)行冷卻保護(hù)，因此在該類零件表面需加工大量冷卻孔。SiC/SiC復(fù)合材料具有硬度高及各向異性的特點(diǎn)，對(duì)于孔徑＜1 mm的冷卻孔，無(wú)法使用機(jī)械的方法進(jìn)行制備，并且不同于金屬材料，可以采用電火花進(jìn)行冷卻孔加工，由于SiC屬于半導(dǎo)體，因此導(dǎo)電性較差，電火花加工過(guò)程中容易產(chǎn)生重鑄層[7]。此外，磨料水射流方法可以用于SiC基復(fù)合材料的切割或者大尺寸孔徑的加工，而對(duì)于小尺寸的冷卻孔無(wú)法實(shí)現(xiàn)加工[8]。激光加工過(guò)程能量集中、可控性高，不產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，并且由于SiC能夠較好地吸收激光，因此使得激光加工成為一種比較有效的制孔方法[9]。

工業(yè)化應(yīng)用的激光主要分為超短脈沖激光、短脈沖激光與長(zhǎng)脈沖激光。超短脈沖激光常見(jiàn)的有皮秒激光與飛秒激光，此類激光單脈沖持續(xù)時(shí)間短，熱量在加工過(guò)程中幾乎不發(fā)生傳遞，加工過(guò)程幾乎為冷加工，加工邊緣干凈整齊，但此類激光去除效率低，并且激光器造價(jià)高昂，常用于精密電子行業(yè)；短脈沖激光主要是指納秒激光，該類激光與皮秒或飛秒激光器相比，加工效率明顯提升，加工過(guò)程產(chǎn)生少量熱量；長(zhǎng)脈沖激光主要是指毫秒脈沖激光，該類激光具有激光功率大、加工效率高的特點(diǎn)，但加工過(guò)程產(chǎn)生熱量較多，對(duì)材料有一定影響。SiC/SiC復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)零件通常具有成千上萬(wàn)個(gè)孔，由于超短脈沖激光效率較低、加工周期長(zhǎng)，具備工業(yè)化應(yīng)用可行性的主要為納秒激光與毫秒激光。

國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者開(kāi)展了激光加工陶瓷基復(fù)合材料的相關(guān)研究。Chen等采用毫秒激光加工了SiC/SiC復(fù)合材料，研究結(jié)果表明，孔周邊存在25～50 μm厚度的新生層，但未對(duì)該層做進(jìn)一步研究[10]。H?nig等采用激光在3.6 mm厚SiC/SiCN材料上進(jìn)行打孔，孔直徑為 0.9 mm，傾斜 25°，結(jié)果表明，激光加工后，在孔長(zhǎng)度為一半的區(qū)域內(nèi)壁形成了厚度約為80 μm的多孔SiO2層[11]。Li等采用皮秒激光在化學(xué)氣相沉積工藝制備的SiC/SiC復(fù)合材料上進(jìn)行制孔，發(fā)現(xiàn)在孔內(nèi)部存在較多的殘?jiān)退槠?，分析結(jié)果表明，這些殘?jiān)退槠写嬖赟i—O鍵和Si—C鍵，表明加工過(guò)程中發(fā)生了不完全氧化[12-13]。Zhai等采用飛秒激光加工SiC/SiC復(fù)合材料，采用該技術(shù)加工的孔邊緣形狀規(guī)則，加工后的孔無(wú)明顯崩邊、纖維拔出、熱影響區(qū)（HAZ）及氧化等現(xiàn)象[14]。Zhang等采用皮秒激光加工C/SiC復(fù)合材料時(shí)，認(rèn)為C/SiC復(fù)合材料吸收激光能量后，產(chǎn)生了Si、C及O等離子，O很容易與Si及C相結(jié)合，引起氧化，并且在表面形成SiOx殘?jiān)蚣{米顆粒[15]。

本工作分別采用納秒與毫秒兩種不同的激光，在SiC/SiC平板試件上進(jìn)行制孔，并對(duì)不同激光的加工效率、加工錐度和加工損傷與形貌進(jìn)行對(duì)比分析。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

SiC/SiC復(fù)合材料采用熔融滲硅法制備[16]，纖維采用國(guó)產(chǎn)二代SiC纖維，SiC/SiC復(fù)合材料體積密度為2.78 g/cm3，開(kāi)氣孔率＜2%，試樣尺寸為100 mm×25 mm×3 mm，分別采用毫秒與納秒激光進(jìn)行孔加工，孔直徑為0.6 mm，傾斜角度為25°。毫秒激光波長(zhǎng)為1070 nm，由六軸數(shù)控激光高效制孔設(shè)備（MicroDrill-200H）進(jìn)行加工，激光器功率1500 W；納秒激光波長(zhǎng)為532 nm，采用五軸三維激光精密加工系統(tǒng)（NGL5A1008）進(jìn)行加工，激光器功率40 W。SiC/SiC復(fù)合材料試樣激光制孔后，將其拉斷以觀察孔斷面形貌。采用毫秒激光進(jìn)行孔加工的樣品命名為HM，采用納秒激光進(jìn)行孔加工的樣品命名為NM。

采用Leica DMS1000體視顯微鏡分別對(duì)試樣激光入口端、出口端表面和孔斷面進(jìn)行觀察；采用FEI NANO SEM 450 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（SEM）進(jìn)行形貌分析，采用其附帶的能譜儀進(jìn)行元素分析。采用 Phoenix v | tome | x m 微納 CT 對(duì)樣品進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)，檢測(cè)電壓 100 kV，電流 150 μA。

孔的錐角通過(guò)式（1）計(jì)算得出：

式中：θ為錐角；a為入口端短軸；b為出口端短軸；l為孔長(zhǎng)度。

2 結(jié)果與分析

2.1 加工效率與加工精度

表1給出了毫秒激光與納秒激光單孔加工時(shí)間與孔尺寸精度對(duì)比。激光加工通常都存在錐度問(wèn)題，而該項(xiàng)指標(biāo)也是衡量激光加工精度的重要參數(shù)，由表1可知，毫秒激光加工的孔錐度更小，這可能是由于納秒激光的脈沖寬度短，能量密度高，加工過(guò)程是逐層的方式去除材料，由于激光自身是從大光束聚成小光斑，加工過(guò)程激光束呈錐形，致使被加工的材料產(chǎn)生錐度；毫秒激光脈沖寬度長(zhǎng)，能量密度較低，屬于熱加工，材料周邊有明顯的熱影響區(qū)，加工過(guò)程中配合同軸度比較高的氣壓將熔融物吹出，因此錐度較小。

表1 毫秒激光與納秒激光單孔加工時(shí)間和尺寸精度Table 1 Single-hole processing time and size precision of millisecond laser and nanosecond laser

2.2 光學(xué)顯微鏡表征

圖1為兩種激光加工試樣孔內(nèi)壁的宏觀形貌。從圖1可以看出，采用毫秒激光加工時(shí)，孔內(nèi)壁存在較多的殘留物，而納秒激光加工出來(lái)的孔內(nèi)壁相對(duì)比較光滑。采用毫秒激光加工時(shí)，孔入口端存在明顯的白色半透明狀殘留物，并且出口端殘留物較入口端明顯減少。采用納秒激光加工時(shí)，入口端和出口端孔內(nèi)壁均未發(fā)現(xiàn)明顯的殘留物，但是入口端有明顯的發(fā)白現(xiàn)象。

圖1 兩種激光加工試樣孔斷面宏觀形貌 （a）HM 樣品；（b）NM 樣品；（1）入口端；（2）出口端Fig.1 Cross-section morphologies of holes processed by two kinds of laser （a）sample HM；（b） sample NM；（1）inlet；（2）outlet

圖2為不同激光加工方法入口端和出口端表面形貌。從圖2可以看出，采用毫秒激光加工時(shí)，入口端樣品表面存在明顯的黃色殘留物，出口端表面同樣存在殘留物，但數(shù)量明顯較少。采用納秒激光加工時(shí)，入口端表面出現(xiàn)部分變色現(xiàn)象，但未發(fā)現(xiàn)殘留物，而出口端表面無(wú)殘留物與變色現(xiàn)象。

圖2 兩種激光加工試樣孔表面宏觀形貌 （a）HM 樣品；（b）NM 樣品；（1）入口端；（2）出口端Fig.2 Surface morphologies of holes processed by two kinds of laser （a） sample HM；（b） sample HM；（1） inlet；（2） outlet

2.3 掃描電鏡表征

圖3為兩種激光加工試樣孔斷面形貌、殘留物形貌和殘留物成分析。圖3（a-1）為毫秒激光加工孔內(nèi)部形貌，圖3（b-1）為納秒激光加工后孔內(nèi)部形貌，所選區(qū)域均為孔中間段區(qū)域，從圖中可以看出，毫秒激光加工后內(nèi)部存在尺寸較大的殘留物（圖3（a-2）），并且殘留物呈泡狀；而納秒激光加工后，孔內(nèi)壁殘留物較少（圖3（b-2））。對(duì)上述殘留物進(jìn)行EDX分析，結(jié)果表明：殘留物均含有明顯的氧元素，表明加工過(guò)程中均發(fā)生氧化反應(yīng)，根據(jù)元素比例進(jìn)行推算，HM樣品殘留物主要成分為氧化硅、氧化硼并含有少量的碳化硅（圖3（a-3））；NM樣品主要?dú)埩粑餅檠趸?、氧化硼、少量碳化硅及硅。NM樣品中碳化硅含量略高，并且含有少量的硅（圖3（b-3）），可能是由于其能量密度高并且與樣品的作用時(shí)間短，當(dāng)溫度超過(guò)2700 ℃時(shí)，能夠引起SiC纖維、SiC基體和硅的揮發(fā)[12, 17]。

圖3 兩種激光加工試樣 （a）HM 樣品；（b）NM 樣品；（1）孔斷面 SEM 形貌；（2）殘留氧化物 SEM 形貌；（3）殘留氧化物組分分析Fig.3 Samples processed by two kinds of laser （a） sample HM; （b） sample NM; （1） SEM image of cross-section of the hole;（2） SEM image of the oxide in the hole; （3） EDX of the oxide in the hole

HM樣品內(nèi)殘留物呈泡狀，主要是由于在高溫氧化環(huán)境下，發(fā)生如下反應(yīng)[18-19]：

首先是SiC纖維或基體中的碳化硅與氧氣發(fā)生反應(yīng)生成SiO2，進(jìn)而SiO2與碳化硅發(fā)生反應(yīng)形成SiO、CO氣體，在玻璃態(tài)的二氧化硅中形成氣泡。此外，有氧環(huán)境下，BN界面層會(huì)氧化生成熔點(diǎn)為 450 ℃的 B2O3，黏流態(tài)的 B2O3與 SiO2發(fā)生反應(yīng)生成含硅硼的玻璃態(tài)物質(zhì)，因此殘留物中能夠檢測(cè)到硼元素。同時(shí)部分含硅硼的玻璃態(tài)物質(zhì)還會(huì)進(jìn)一步分解生成氣態(tài)B2O3，也會(huì)致使殘留物呈泡狀，發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如下[20-21]：

圖4為兩種激光加工試樣孔周邊和中間形貌。圖4（a-1）為毫秒激光加工樣品的孔周邊微觀形貌，可以看出，孔周邊存在明顯的重熔-氧化區(qū)與熱影響區(qū)。重熔-氧化區(qū)相對(duì)較為致密，熱影響區(qū)內(nèi)疏松多孔；圖4（a-2）為毫秒樣品重熔-氧化區(qū)內(nèi)側(cè)微觀結(jié)構(gòu)，可以看出，該區(qū)域表面顆粒狀較為明顯，存在尺寸較小的孔隙，并且重熔-氧化區(qū)內(nèi)部存在較多的裂紋，可能是由于熱膨脹系數(shù)與復(fù)合材料本體不同所導(dǎo)致。圖4（b-1）為納秒激光加工樣品的孔周邊微觀形貌，可以看出，孔周邊無(wú)明顯重熔-氧化區(qū)與熱影響區(qū)，這主要是由于與毫秒激光相比，納秒激光具有脈沖寬度短、峰值功率高的特點(diǎn)，因此熱擴(kuò)散區(qū)域?。粓D4（b-2）為納秒樣品出口端附近孔壁內(nèi)側(cè)微觀結(jié)構(gòu)，可以看出，纖維及界面層輪廓仍清晰可見(jiàn)，表面有薄薄一層絮狀物。圖5（a）為HM樣品重熔-氧化區(qū)EDX元素分析圖譜，圖5（b）為熱影響區(qū)元素分析圖譜，可以看出，重熔-氧化區(qū)的氧含量較高，主要由碳化硅及硅的重熔物、氧化硅及氧化硼等氧化產(chǎn)物組成；熱影響區(qū)氧含量相對(duì)較低，存在輕微氧化現(xiàn)象，熱影響區(qū)孔隙結(jié)構(gòu)可能由氧化過(guò)程產(chǎn)生的氣體逸出及基體內(nèi)的自由硅揮發(fā)引起。與納秒激光相比，毫秒激光能量密度較低，屬于熱加工，孔內(nèi)熔融物/氧化產(chǎn)物主要以飛濺形式排出，并且容易在孔周邊堆積，未完全排出的熔融物/氧化產(chǎn)物在孔壁冷卻凝固，并且由于加工時(shí)激光與材料作用時(shí)間長(zhǎng)，引起孔周邊材料發(fā)生變化，形成熱影響區(qū)[9, 22]。而納秒激光具有脈沖寬度短、峰值功率高的特點(diǎn)，因此熱影響小，幾乎觀察不到熱影響區(qū)。由于氧化硅的熱膨脹系數(shù)明顯低于碳化硅，HM樣品中重熔-氧化區(qū)可能會(huì)降低孔的冷卻效果[11]，Zhang等的研究結(jié)果表明可以通過(guò)HF腐蝕等方法除去激光加工過(guò)程產(chǎn)生的氧化物[23]。

圖4 兩種激光加工試樣 （a）HM 樣品；（b）NM 樣品；（1）孔周邊斷裂面形貌；（2）孔中間部位表面形貌Fig.4 Samples processed by two kinds of laser （a） sample HM; （b） sample NM; （1） cross-section morphology of the surrounding area of the hole; （d） surface morphology of the hole in the middle area

圖5 毫秒激光加工試樣 （a）重熔-氧化區(qū)元素組成；（b）熱影響區(qū)元素組成。Fig.5 Sample processed by milisecond laser （a） EDX of oxide layer； （b） EDX of HAZ

2.4 CT表征

CT無(wú)損檢測(cè)可以在不破壞試樣的前提下檢測(cè)出缺陷的形狀、位置及尺寸等信息，圖6為不同激光制孔的CT形貌，所選取的位置為孔的中間段部位，從圖6（a-1）、（a-2）可以看出，采用毫秒激光加工時(shí)，孔內(nèi)存在殘留物，并且熱影響區(qū)內(nèi)孔隙結(jié)構(gòu)清晰可見(jiàn)，而采用納秒激光加工時(shí)，孔內(nèi)壁無(wú)殘留物，并且未觀察到熱影響區(qū)（圖6（a-2）、（b-2）），與掃描電鏡的觀察結(jié)果相符。

圖6 兩種 激 光 加 工試樣 孔 CT 形 貌 （ a） HM 樣 品 ；（b）NM 樣品；（1）平行于孔中心線；（2）垂直于孔中心線方向Fig.6 CT images of the holes processed by two kinds of laser （a） sample HM; （b） sample NM; （1） parallel to the axis of the hole; （d） perpendicular to the axis of the hole

3 結(jié)論

（1）采用毫秒激光與納秒激光在SiC/SiC復(fù)合材料上進(jìn)行冷卻孔加工，納秒激光加工時(shí)長(zhǎng)是毫秒激光的8.7倍，并且毫秒激光加工的孔錐度更小。

（2）毫秒激光加工的孔內(nèi)壁存在較多的殘留物，而納秒激光加工的孔內(nèi)壁相對(duì)比較光滑。

（3）毫秒激光加工樣品出口端及入口端表面均存在殘留物，并且出口端殘留物量明顯較少；而納秒激光加工樣品入口端表面出現(xiàn)部分變色現(xiàn)象，但未發(fā)現(xiàn)殘留物，且出口端表面無(wú)殘留物與變色現(xiàn)象。

（4）EDX分析結(jié)果表明，激光加工過(guò)程能夠引起材料的氧化，生成氧化硅、氧化硼等物質(zhì)。

（5）毫秒激光加工的孔存在明顯的重熔-氧化區(qū)與熱影響區(qū)，其中重熔-氧化區(qū)結(jié)構(gòu)較為致密，熱影響區(qū)疏松多孔，并且重熔-氧化區(qū)內(nèi)部存在熱膨脹系數(shù)不匹配引起的裂紋；納秒激光加工的孔無(wú)明顯重熔-氧化層與熱影響區(qū)。

（6）由于激光加工SiC/SiC復(fù)合材料過(guò)程中存在明顯的氧化現(xiàn)象，并且氧化產(chǎn)物的形成容易在冷卻孔內(nèi)部聚集，因此采用惰性氣氛保護(hù)可能有助于提高激光加工質(zhì)量。