“老司機”開講碳化硅陶瓷基復合材料加工技術，快上車！

碳化硅陶瓷基復合材料（CMCSiC，包含SiC/SiC 和C/SiC 兩種材料）具有低密度、高比強、高比模、耐高溫、耐磨損和耐化學腐蝕等優點，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、能源、交通等領域具有廣泛應用前景。

二次加工是CMC-SiC 復合材料及其構件制備過程中不可或缺的重要環節，尤其是隨著實際服役環境的日益苛刻，CMC-SiC 復合材料的超精細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動機調節片等精密構件、航空發動機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，加工質量的高低將嚴重影響結構件的力學性能和使用性能。但是，CMC-SiC 復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 復合材料屬于各向異性材料，容易在切削力的作用下產生毛刺、分層、撕裂、崩邊等損傷，易導致零件報廢，影響加工質量。因此，尋找一種高精度、高質量的加工手段一直是研究人員所追求的熱點。

CMC-SiC 復合材料的二次加工技術是促進其應用產業化的關鍵因素。美國國家航空航天局（NASA）在《21 世紀的航空技術》報告中曾表示，在其發動機材料研究規劃中要優先發展陶瓷基復合材料的制備工藝及其加工技術。目前，可用于CMC-SiC 復合材料的加工方法主要有傳統的機械加工、高壓水射流加工、超聲波加工、電火花加工和激光加工等。

傳統機械加工主要是指對CMC-SiC 復合材料進行車削、切削、磨削、鉆孔等，其方法具有工藝成熟、操作簡單、加工效率高及設備投入少等特點，西北工業大學超高溫結構復合材料重點實驗室利用自主研發的金剛石刀具，發展了CMC-SiC 材料的機械加工技術，解決了大型復雜薄壁構件的切割、打孔、打磨、拋光等加工技術難題（圖1）。王平等 研究了Cf/SiC 陶瓷基復合材料的車削加工工藝，證明了利用傳統機械加工方式加工C/SiC 復合材料的可行性。但該方法也存在刀具（鉆頭）磨損過快，材料表面受到機械應力作用，容易在材料表面產生凹坑、毛刺、撕裂等問題（見圖2），嚴重制約了加工質量與加工精度，同時加工過程產生大量碎屑和粉塵，加工環境有待改善。

為了解決上述傳統機械加工方法由于刀具磨損與切削熱引發的加工精度、表面質量、生產環境等問題，特種加工技術逐漸發展起來。特種加工技術區別于傳統加工方法，屬于非接觸式加工，應用CMCSiC復合材料的特種加工技術包括高壓水射流法、超聲加工技術、電火花加工技術、激光加工技術。高壓水射流法能夠克服傳統機械加工的部分缺點，對加工樣品的厚度幾乎沒有限制，且加工阻力較小，不易出現撕裂和分層現象。西北工業大學超高溫結構復合材料重點實驗室發展了CMC-SiC 材料的高速磨料流加工技術，解決了CMC-SiC 材料切割、打孔的加工速度和效率問題（圖3）。

焦健等研究了高壓水射流法對SiC/SiC 復合材料的切削和打孔加工，結果表明在加工中通過調整工藝參數能夠獲得預期的試驗結果。但在研究中同時發現，高壓水射流法在加工工件厚度增加時容易在表面出現毛刺，且容易出現纖維拔出現象（圖4（a））和崩邊現象（見圖4（b）），對復合材料的加工質量產生極大影響。高壓水射流的特點主要適合于構件的外形粗切邊和制孔，且加工后構件厚度方向易形成梯度。

超聲加工是超聲波發生器通過將電能轉變為超聲電頻振蕩，并固定在振幅擴大工具上，產生超聲振動，利用工作液中的懸浮顆粒對工件表面進行撞擊和拋磨來實現材料去除（圖5）。其優點在于能夠加工到點和絕緣材料，且不受材料硬度限制，能夠加工復雜3D 結構，同時具有加工速度快和無熱效應的特性。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雜三維型面的加工，無法滿足高精度數百微米級別微孔加工的需求。

電火花加工是通過懸浮于電介質中的高能等離子體的刻蝕作用,使表層材料發生熔化、蒸發或熱剝離而達到加工材料的目的。由于加工過程中模具未與工件直接接觸, 故無機械應力作用于材料表面, 因此電火花加工是一種無接觸式精細熱加工技術。Muttamara 等用普通電火花成形機和輔助電極電火花加工系統相結合，在S i3N4 陶瓷工件上成功地加工了直徑55μm 的微孔（圖6）。同時，由于大多數陶瓷材料是離子型、共價型或二者結合的多晶材料, 為電的絕緣體, 限制了該技術的發展應用。

以激光作為加工能源, 在硬脆性陶瓷材料加工方面的應用發展潛力已見端倪：它可以實現無接觸式加工，減少了因接觸應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域的能量可達108J/cm2 以上, 加之陶瓷材料對長波長激光的吸收率高達80% 以上, 瞬間就可使材料熔化蒸發, 實現高效率加工；由于聚焦光斑小, 其熱影響區小, 可以達到精密加工的要求；激光的低電磁干擾以及易于導向聚焦的特點, 方便實現三維及特殊面的激光加工, 因此激光加工技術十分適合用于加工陶瓷材料（圖7）。根據激光器作用方式的不同，激光加工通常可分為兩種：連續激光加工和脈沖激光加工。

連續激光屬于熱加工，它是指利用激光束投射到材料表面產生的熱效應來完成加工過程，通過聚焦獲得高能量，達到使固體材料通過融化或蒸發而消除的目的。由于激光的發散角小和單色性好，理論上可以聚焦到尺寸與光的波長相近的小斑點上，再加上其強度高，因此其加工的功率密度可達到108~1010W/cm2，溫度可達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，同時產生方向性很強的沖擊。因此，連續激光加工是材料在光熱效應下產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；光能轉化為熱能使材料加熱；通過熔化、汽化去除材料。

脈沖激光器是指激光借助高能量、高密度光子引發或控制光化學反應的各種加工過程，也稱為激光光化學反應加工。其單個激光脈沖寬小于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、切割和測距等。脈沖激光又可根據脈沖寬度的不同分為長脈沖激光（>100ns）和短脈沖激光（<>

近些年來，隨著超短脈沖激光技術的發展，其“冷加工”特性在工業生產中應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。然后，當等離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。

在超短脈沖激光加工機理研究方面，Yalukova 等 使用不同波長激光對有纖維和無纖維增強的聚合物進行加工，分析超短脈沖激光與聚合物復合材料的加工機理，結果表明：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；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理，主要以價鍵斷裂方式去除材料，孔邊緣熱影響區很小。

趙清亮等分析了飛秒激光加工SiC 燒蝕閾值及去除機理，結果表明：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制為主。

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生的熱效應來完成加工過程，通過聚焦獲得高能量，達到使固體材料通過融化或蒸發而消除的目的，從而實現對材料的切割、焊接、表面處理及微加工（見圖10）。它對材料的種類和硬度無選擇性，應用范圍很廣，對高硬度材料和大批量加工有很大的優勢。

連續型激光器可在一段較長時間范圍內以連續方式持續進行激光輸出，可實現激光焊接、激光打孔、激光切割等，被加工材料通過熔化、蒸發的方式得以去除。連續激光加工對材料種類變化的適應性強，加工速度快，應用范圍廣，特別是在高硬度材料的大批量加工中具有優勢。但是，由于加工中易形成重鑄層、微裂紋和熱影響區，其應用有很大局限性（見圖11（a））。

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，其加工效果明顯優于連續激光加工（見圖11（b））。Moreno等 研究了飛秒激光對碳材料增強聚合物材料的微加工試驗，結果表明：碳纖維增強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量的影響較大。Das 等研究了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、重鑄和裂紋等嚴重損傷，且具有較高的內壁光潔度，但加工效率較低。

CMC-SiC 復合材料超短脈沖激光加工作為激光加工技術的一個分支，超短脈沖激光因其加工CMC-SiC 復合材料具有近乎零損傷、精度高、無重鑄層等優點，成為加工技術領域的研究熱點。Hu 等研究了采用超短脈沖激光加工SiC/SiC 復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 等開展了皮秒激光對C/SiC 復合材料的微加工工藝和機理研究，其結果表明皮秒激光參數，如加工功率（圖12）、加工步進、掃描速度等對C/SiC 復合材料微孔加工質量和效率有較大影響。加工功率較低時，激光功率密度較低，孔內形成的反沖氣壓較低，則孔內形成的碎屑不能及時噴出孔外，使得出口處直徑遠小于入口處直徑，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，孔內產生強烈的沖擊波，形成反沖高壓，使得去除物質從孔內高速向外噴射（圖13）。

Liu 等開展了使用皮秒激光對SiC/SiC 復合材料的微加工工藝和機理研究，其結果表明皮秒激光參數，如能量密度、掃描速度、加工方式（見圖14）等對SiC/SiC 復合材料微孔加工的質量和效率有較大影響。西北工業大學超高溫結構復合材料重點實驗室對C/SiC 復合材料超短脈沖激光加工進行了系統深入研究，結果表明該技術加工分辨率高，具有優異的加工精度與一致性，可成功實現C/SiC 復合材料密、低損傷、高效率的加工需求，圖15 和圖16 分別展示了C/SiC 復合材料構件陣列微孔與方槽超短脈沖激光加工。

隨著CMC-SiC 復合材料應用領域的不斷擴大，發展高效精密加工技術顯得較為迫切。傳統機械加工技術在加工CMC-SiC 復合材料時具備工藝簡單、加工效率高等優點。同時為了提高該技術的加工精度，應采用電鍍超硬磨料刀具或與特種加工工藝相結合。特種加工技術如高壓水射流加工、超聲波加工、電火花加工等，需要一系列的革新以滿足CMCSiC復合材料的加工需求。例如：高壓水射流加工中應采用硅砂等硬度較小的磨料，以實現低損傷加工；超聲波加工中應采用旋轉超聲波儀器，將系統的加工效率提高6~10 倍；電火花加工中可采用電解液法和高電壓法來創造產生火花放電的條件,實現對非導電陶瓷的加工。