“老司机”开讲碳化硅陶瓷基复合材料加工技术，快上车！

碳化硅陶瓷基复合材料（CMCSiC，包含SiC/SiC 和C/SiC 两种材料）具有低密度、高比强、高比模、耐高温、耐磨损和耐化学腐蚀等优点，同时由于纤维的增强和增韧作用，有效提高了陶瓷材料的断裂韧性，因而在航空航天、能源、交通等领域具有广泛应用前景。

二次加工是CMC-SiC 复合材料及其构件制备过程中不可或缺的重要环节，尤其是随着实际服役环境的日益苛刻，CMC-SiC 复合材料的超精细微纳加工的要求越来越高：如用于制造涡轮整体叶盘和涡轮静子件及发动机调节片等精密构件、航空发动机燃烧室火焰筒和涡轮叶片的气膜冷却孔（直径300~700μm）、核包壳管的封装微孔等，加工质量的高低将严重影响结构件的力学性能和使用性能。但是，CMC-SiC 复合材料是一种难加工材料，其硬度为2840~3320kg/mm2，仅次于金刚石和立方氮化硼；且CMC-SiC 复合材料属于各向异性材料，容易在切削力的作用下产生毛刺、分层、撕裂、崩边等损伤，易导致零件报废，影响加工质量。因此，寻找一种高精度、高质量的加工手段一直是研究人员所追求的热点。

CMC-SiC 加工技术

CMC-SiC 复合材料的二次加工技术是促进其应用产业化的关键因素。美国国家航空航天局（NASA）在《21 世纪的航空技术》报告中曾表示，在其发动机材料研究规划中要优先发展陶瓷基复合材料的制备工艺及其加工技术。目前，可用于CMC-SiC 复合材料的加工方法主要有传统的机械加工、高压水射流加工、超声波加工、电火花加工和激光加工等。

1传统机械加工技术    

传统机械加工主要是指对CMC-SiC 复合材料进行车削、切削、磨削、钻孔等，其方法具有工艺成熟、操作简单、加工效率高及设备投入少等特点，西北工业大学超高温结构复合材料重点实验室利用自主研发的金刚石刀具，发展了CMC-SiC 材料的机械加工技术，解决了大型复杂薄壁构件的切割、打孔、打磨、抛光等加工技术难题（图1）。王平等 研究了Cf/SiC 陶瓷基复合材料的车削加工工艺，证明了利用传统机械加工方式加工C/SiC 复合材料的可行性。但该方法也存在刀具（钻头）磨损过快，材料表面受到机械应力作用，容易在材料表面产生凹坑、毛刺、撕裂等问题（见图2），严重制约了加工质量与加工精度，同时加工过程产生大量碎屑和粉尘，加工环境有待改善。

2特种加工技术    

为了解决上述传统机械加工方法由于刀具磨损与切削热引发的加工精度、表面质量、生产环境等问题，特种加工技术逐渐发展起来。特种加工技术区别于传统加工方法，属于非接触式加工，应用CMCSiC复合材料的特种加工技术包括高压水射流法、超声加工技术、电火花加工技术、激光加工技术。高压水射流法能够克服传统机械加工的部分缺点，对加工样品的厚度几乎没有限制，且加工阻力较小，不易出现撕裂和分层现象。西北工业大学超高温结构复合材料重点实验室发展了CMC-SiC 材料的高速磨料流加工技术，解决了CMC-SiC 材料切割、打孔的加工速度和效率问题（图3）。

焦健等研究了高压水射流法对SiC/SiC 复合材料的切削和打孔加工，结果表明在加工中通过调整工艺参数能够获得预期的试验结果。但在研究中同时发现，高压水射流法在加工工件厚度增加时容易在表面出现毛刺，且容易出现纤维拔出现象（图4（a））和崩边现象（见图4（b）），对复合材料的加工质量产生极大影响。高压水射流的特点主要适合于构件的外形粗切边和制孔，且加工后构件厚度方向易形成梯度。

超声加工是超声波发生器通过将电能转变为超声电频振荡，并固定在振幅扩大工具上，产生超声振动，利用工作液中的悬浮颗粒对工件表面进行撞击和抛磨来实现材料去除（图5）。其优点在于能够加工到点和绝缘材料，且不受材料硬度限制，能够加工复杂3D 结构，同时具有加工速度快和无热效应的特性。但是其加工精度受到其加工振幅限制，更适合于表面切削和复杂三维型面的加工，无法满足高精度数百微米级别微孔加工的需求。

电火花加工是通过悬浮于电介质中的高能等离子体的刻蚀作用,使表层材料发生熔化、蒸发或热剥离而达到加工材料的目的。由于加工过程中模具未与工件直接接触, 故无机械应力作用于材料表面, 因此电火花加工是一种无接触式精细热加工技术。Muttamara 等用普通电火花成形机和辅助电极电火花加工系统相结合，在S i3N4 陶瓷工件上成功地加工了直径55μm 的微孔（图6）。同时，由于大多数陶瓷材料是离子型、共价型或二者结合的多晶材料, 为电的绝缘体, 限制了该技术的发展应用。

激光加工原理

以激光作为加工能源, 在硬脆性陶瓷材料加工方面的应用发展潜力已见端倪：它可以实现无接触式加工，减少了因接触应力而对陶瓷带来的损伤；聚焦的高能激光束作用于陶瓷局部区域的能量可达108J/cm2 以上, 加之陶瓷材料对长波长激光的吸收率高达80% 以上, 瞬间就可使材料熔化蒸发, 实现高效率加工；由于聚焦光斑小, 其热影响区小, 可以达到精密加工的要求；激光的低电磁干扰以及易于导向聚焦的特点, 方便实现三维及特殊面的激光加工, 因此激光加工技术十分适合用于加工陶瓷材料（图7）。根据激光器作用方式的不同，激光加工通常可分为两种：连续激光加工和脉冲激光加工。

1连续激光加工原理   

连续激光属于热加工，它是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程，通过聚焦获得高能量，达到使固体材料通过融化或蒸发而消除的目的。由于激光的发散角小和单色性好，理论上可以聚焦到尺寸与光的波长相近的小斑点上，再加上其强度高，因此其加工的功率密度可达到108~1010W/cm2，温度可达1 万℃以上。在这样的高温下，任何材料都将瞬时急剧熔化和汽化，并爆炸性地高速喷射出来，同时产生方向性很强的冲击。因此，连续激光加工是材料在光热效应下产生高温熔融和受冲击波抛出的综合过程，这种加工过程可分为3 个阶段（图8）：加工材料吸收激光能量；光能转化为热能使材料加热；通过熔化、汽化去除材料。

2超短脉冲激光加工原理    

脉冲激光器是指激光借助高能量、高密度光子引发或控制光化学反应的各种加工过程，也称为激光光化学反应加工。其单个激光脉冲宽小于0.25s，每间隔一段时间才工作一次的激光器具有很大输出功率，适用于激光打标、切割和测距等。脉冲激光又可根据脉冲宽度的不同分为长脉冲激光（>100ns）和短脉冲激光（<>

近些年来，随着超短脉冲激光技术的发展，其“冷加工”特性在工业生产中应用已逐步引起人们的重视。超短脉冲激光与材料的作用过程为：首先，通过非线性吸收过程吸收激光能量，在材料内部形成等离子体（见图9），非线性吸收过程主要通过多光子电离和雪崩电离实现。然后，当等离子体浓度达到一定临界值时，材料开始强烈吸收激光能量，直至材料被去除。

在超短脉冲激光加工机理研究方面，Yalukova 等 使用不同波长激光对有纤维和无纤维增强的聚合物进行加工，分析超短脉冲激光与聚合物复合材料的加工机理，结果表明：对于波长为1064nm（红外光波段）的激光和532nm（可见光波段）激光，主要以热熔融方式去除，加工孔边缘易形成热影响区；而对于波长为266nm（紫外光波段），多光子吸收为激光与材料作用的主要机理，主要以价键断裂方式去除材料，孔边缘热影响区很小。

赵清亮等分析了飞秒激光加工SiC 烧蚀阈值及去除机理，结果表明：SiC 与飞秒激光作用是典型的多光子和非线性吸收过程，材料去除以汽化和爆炸机制为主。

激光加工工艺

激光加工是一种新兴的加工手段，主要利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程，通过聚焦获得高能量，达到使固体材料通过融化或蒸发而消除的目的，从而实现对材料的切割、焊接、表面处理及微加工（见图10）。它对材料的种类和硬度无选择性，应用范围很广，对高硬度材料和大批量加工有很大的优势。

1连续激光加工   

连续型激光器可在一段较长时间范围内以连续方式持续进行激光输出，可实现激光焊接、激光打孔、激光切割等，被加工材料通过熔化、蒸发的方式得以去除。连续激光加工对材料种类变化的适应性强，加工速度快，应用范围广，特别是在高硬度材料的大批量加工中具有优势。但是，由于加工中易形成重铸层、微裂纹和热影响区，其应用有很大局限性（见图11（a））。

2超短脉冲激光加工   

超短脉冲激光一般是指脉冲宽度小于10ps 的激光脉冲。其加工精度高，加工损伤较小，是精密微加工的理想工具，其加工效果明显优于连续激光加工（见图11（b））。Moreno等 研究了飞秒激光对碳材料增强聚合物材料的微加工试验，结果表明：碳纤维增强聚合物能够获得较好的加工效果，填充物的尺寸和形状对加工质量的影响较大。Das 等研究了150fs 激光对具有热障涂层的高温合金的微孔加工，试验表明加工后样品无分层、重铸和裂纹等严重损伤，且具有较高的内壁光洁度，但加工效率较低。

CMC-SiC 复合材料超短脉冲激光加工作为激光加工技术的一个分支，超短脉冲激光因其加工CMC-SiC 复合材料具有近乎零损伤、精度高、无重铸层等优点，成为加工技术领域的研究热点。Hu 等研究了采用超短脉冲激光加工SiC/SiC 复合材料微小通孔与盲孔，分析了其加工特性，研究表明：加工后微孔壁面光滑，表面无重铸层，并可保证其加工精度。

Wang 等开展了皮秒激光对C/SiC 复合材料的微加工工艺和机理研究，其结果表明皮秒激光参数，如加工功率（图12）、加工步进、扫描速度等对C/SiC 复合材料微孔加工质量和效率有较大影响。加工功率较低时，激光功率密度较低，孔内形成的反冲气压较低，则孔内形成的碎屑不能及时喷出孔外，使得出口处直径远小于入口处直径，轴向锥度明显；加工功率较高时，打孔过程中形成大量蒸汽相物质，孔内产生强烈的冲击波，形成反冲高压，使得去除物质从孔内高速向外喷射（图13）。

Liu 等开展了使用皮秒激光对SiC/SiC 复合材料的微加工工艺和机理研究，其结果表明皮秒激光参数，如能量密度、扫描速度、加工方式（见图14）等对SiC/SiC 复合材料微孔加工的质量和效率有较大影响。西北工业大学超高温结构复合材料重点实验室对C/SiC 复合材料超短脉冲激光加工进行了系统深入研究，结果表明该技术加工分辨率高，具有优异的加工精度与一致性，可成功实现C/SiC 复合材料密、低损伤、高效率的加工需求，图15 和图16 分别展示了C/SiC 复合材料构件阵列微孔与方槽超短脉冲激光加工。

结束语

随着CMC-SiC 复合材料应用领域的不断扩大，发展高效精密加工技术显得较为迫切。传统机械加工技术在加工CMC-SiC 复合材料时具备工艺简单、加工效率高等优点。同时为了提高该技术的加工精度，应采用电镀超硬磨料刀具或与特种加工工艺相结合。特种加工技术如高压水射流加工、超声波加工、电火花加工等，需要一系列的革新以满足CMCSiC复合材料的加工需求。例如：高压水射流加工中应采用硅砂等硬度较小的磨料，以实现低损伤加工；超声波加工中应采用旋转超声波仪器，将系统的加工效率提高6~10 倍；电火花加工中可采用电解液法和高电压法来创造产生火花放电的条件,实现对非导电陶瓷的加工。