CMC-SiC碳化硅陶瓷基復(fù)合材料激光刻蝕技術(shù)

近年來(lái)，世界各國(guó)航空航天事業(yè)不斷發(fā)展，航空航天制造領(lǐng)域?qū)Σ牧系囊蟛粩嗵嵘?。新型高性能材料和先進(jìn)復(fù)合材料因具有多功能性、結(jié)構(gòu)整體性及可設(shè)計(jì)性等眾多優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越受到各國(guó)研究人員的重視。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪工作溫度的不斷提升，目前常用的合金材料的性能參數(shù)已接近實(shí)際工況要求的極限，有限的提升空間難以滿(mǎn)足未來(lái)高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的需要。碳化硅陶瓷基復(fù)合材料(CMC-SiC)具有密度低、強(qiáng)度高、耐高溫、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)材料內(nèi)部纖維的增強(qiáng)和增韌作用有效克服了陶瓷材料斷裂韌性差的缺點(diǎn)，使得這種新型復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用潛力。根據(jù)內(nèi)部纖維成分的不同，CMC-SiC主要分為兩種類(lèi)型：碳纖維強(qiáng)化碳化硅陶瓷基復(fù)合材料(C/SiC)和碳化硅纖維強(qiáng)化碳化硅陶瓷基復(fù)合材料(SiC/SiC)。CMC-SiC的密度僅相當(dāng)于高溫合金的30％，在不使用冷卻和涂層技術(shù)的條件下，其工作溫度較高溫合金可提高200℃以上。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中使用CMC-SiC材質(zhì)構(gòu)件，可以減輕自重，降低冷卻空氣使用量,提高渦輪前溫度，降低燃油損耗。法國(guó)、美國(guó)和日本已經(jīng)將CMC-SiC成功應(yīng)用于航空航天飛行器的燃燒室、渦輪、噴管等熱端構(gòu)件及熱防護(hù)系統(tǒng)。此外，CMC-SiC在核電能源、國(guó)防軍工及海洋工程等領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景。
航空航天領(lǐng)域的新型CMC-SiC材質(zhì)構(gòu)件正朝著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜化和組合形式多樣化方向發(fā)展，要將CMC-SiC材質(zhì)構(gòu)件裝配到航空航天飛行器中，材料經(jīng)過(guò)加工的功能化結(jié)構(gòu)的精度需要達(dá)到設(shè)計(jì)要求。例如，作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力能源裝置關(guān)鍵構(gòu)件的CMC-SiC葉片和CMC-SiC渦輪外環(huán)，其形狀日益復(fù)雜、尺寸日益增大，寬弦風(fēng)扇葉片、掠形轉(zhuǎn)子葉片等復(fù)雜新型結(jié)構(gòu)不斷被研發(fā)出來(lái)。加工尺寸超差的構(gòu)件的表面質(zhì)量與尺寸精度無(wú)法滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)裝配質(zhì)量要求，將其裝配到航空航天飛行器中，不僅會(huì)嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的使用功能和性能，更無(wú)法體現(xiàn)具有優(yōu)異熱力學(xué)性能的CMC-SiC在航空航天嚴(yán)苛工作環(huán)境中的應(yīng)用價(jià)值?？梢?jiàn)，CMC-SiC材質(zhì)構(gòu)件的精密加工作為決定航空航天產(chǎn)品使用性能優(yōu)劣的一項(xiàng)基礎(chǔ)加工工藝，其重要性不言而喻。
CMC-SiC作為耐磨阻熱的高性能新型陶瓷基復(fù)合材料，配合優(yōu)質(zhì)高效激光加工技術(shù)，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。本文面向航空航天制造領(lǐng)域的重大需求與國(guó)際前沿，通過(guò)分析CMC-SiC的激光加工研究現(xiàn)狀與進(jìn)展，指出了CMC-SiC材料激光加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，旨在為我國(guó)新型航空航天CMC-SiC材質(zhì)構(gòu)件的精密制造提供理論依據(jù)與技術(shù)參考。
1常規(guī)加工技術(shù)在CMC-SiC加工中面臨的瓶頸
陶瓷基復(fù)合材料屬于具有超高硬度的難加工材料，特別是各向異性的CMC-SiC，目前行業(yè)內(nèi)主要依靠金剛石刀具磨削對(duì)CMC-SiC進(jìn)行精密加工。其優(yōu)點(diǎn)是加工尺寸可控，缺點(diǎn)是刀具磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致批量加工件的一致性較差。此外，極易在加工區(qū)域產(chǎn)生毛刺、分層、撕裂及崩邊等缺陷，這些加工缺陷會(huì)直接影響加工質(zhì)量，甚至導(dǎo)致零件報(bào)廢。區(qū)別于傳統(tǒng)加工方法，可應(yīng)用于CMC-SiC的特種加工技術(shù)包括超聲加工、高壓水射流加工、電火花加工、激光加工。其中超聲加工的優(yōu)點(diǎn)是不存在熱影響區(qū)，缺點(diǎn)是預(yù)制成型工具成本高，且加工中仍有纖維脆性斷裂現(xiàn)象；高壓水射流加工的優(yōu)點(diǎn)是加工速度快，缺點(diǎn)是容易造成加工區(qū)域邊緣撕裂；由于CMC-SiC略有電導(dǎo)性，可以利用電火花加工進(jìn)行處理，但是在精密加工領(lǐng)域，電火花加工技術(shù)對(duì)材料有嚴(yán)重的熱影響。超聲加工、水射流加工及電火花加工的效果如圖1所示。在這些加工技術(shù)中，激光加工的優(yōu)勢(shì)明顯，包括加工質(zhì)量高、非接觸式加工、對(duì)材料輸入熱量低、適用材料范圍廣，以及易于和數(shù)控技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。從制造技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，激光加工將成為CMC-SiC材質(zhì)構(gòu)件精密制造的主流技術(shù)。

圖1 CMC-SiC在特種加工中產(chǎn)生的缺陷。(a)超聲加工；(b)水射流加工；(c)電火花加工
2CMC-SiC激光加工研究現(xiàn)狀
2.1 CMC-SiC與激光相互作用的機(jī)理
CMC-SiC主要由最外側(cè)的SiC層和內(nèi)部的SiC基體、纖維及界面層組成，在纖維編織結(jié)構(gòu)中還包含許多微小孔隙，復(fù)雜的材料結(jié)構(gòu)致使CMC-SiC在激光加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生與一般均質(zhì)材料不同的物理和化學(xué)變化。在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與激光相互作用機(jī)理方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于理論與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了大量探索。吳恩啟等理論研究了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)規(guī)律，推導(dǎo)出了復(fù)合材料內(nèi)部纖維束平面內(nèi)熱擴(kuò)散系數(shù)與相位梯度的關(guān)系。纖維編織復(fù)合材料具有各向異性的特點(diǎn)，纖維束方向會(huì)直接影響熱傳導(dǎo)規(guī)律，且復(fù)合材料的熱擴(kuò)散系數(shù)與編織方式和基體材料分布相關(guān)。Allheily等研究了高能量激光對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的燒蝕機(jī)制，發(fā)現(xiàn)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料對(duì)激光輻照產(chǎn)生的熱量具有很強(qiáng)的隔絕作用，主要原因在于碳纖維能夠承載并吸收熱量，層間基體材料的燒蝕可以有效降低激光能量的積累。Zhai等使用波動(dòng)光學(xué)仿真軟件分析了C/SiC原始表面粗糙度對(duì)激光加工效果的影響，仿真結(jié)果表明C/SiC原始表面形貌對(duì)激光刻蝕效果有顯著影響，激光輻照在C/SiC表面凸起的不同位置時(shí)，電場(chǎng)會(huì)發(fā)生偏移或減弱，電場(chǎng)強(qiáng)度的不均勻分布導(dǎo)致C/SiC表面不同區(qū)域的刻蝕形貌存在差異，如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)及仿真結(jié)果對(duì)比：(a)電鏡圖；(b)彎曲形貌；(c)狹窄形貌
為了研究不同參數(shù)的激光對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的作用機(jī)制，Takahashi等分別使用波長(zhǎng)1064 nm的紅外激光和266 nm的紫外激光對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行了加工，分析了激光與纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的作用機(jī)理。波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅外激光主要依靠熱作用去除材料，加工區(qū)域邊緣存在熱影響區(qū)，而波長(zhǎng)較短的紫外激光則依靠光化學(xué)作用去除材料，加工區(qū)域邊緣熱影響區(qū)比較小，如圖3所示。Zhai等使用重復(fù)頻率為200 kHz的脈沖激光對(duì)SiC/SiC進(jìn)行了表面加工，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明較高的重復(fù)頻率有利于提高加工速度，但是過(guò)大的光斑重疊率會(huì)導(dǎo)致脈沖間的熱積累現(xiàn)象顯著。這種熱效應(yīng)對(duì)SiC/SiC加工是不利的，會(huì)導(dǎo)致材料表面氧化及加工精度下降。

圖3 不同波長(zhǎng)激光對(duì)纖維增強(qiáng)材料的作用效果對(duì)比：(a)紅外激光；(b)紫外激光
研究人員利用仿真計(jì)算軟件從熱力學(xué)、波動(dòng)光學(xué)等不同角度對(duì)激光與CMC-SiC相互作用機(jī)理進(jìn)行了探討，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了激光波長(zhǎng)、脈沖重復(fù)頻率等加工參數(shù)對(duì)刻蝕效果的影響。但是，依靠單一能場(chǎng)的固定化方法難以較為全面地揭示激光與CMC-SiC材料的耦合光、熱、力等因素的作用機(jī)理。
2.2 連續(xù)及長(zhǎng)脈沖激光加工中的典型熱致缺陷
為了實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)大去除量的高效加工，大功率長(zhǎng)脈沖激光器被應(yīng)用于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的激光加工中。Liu等對(duì)連續(xù)激光輻照下碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的熱機(jī)械響應(yīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明材料的層間破壞是由熱載荷引起的。在連續(xù)激光的輻照下，材料表層基體熱解，由于熱應(yīng)力集中，材料出現(xiàn)了明顯的層間開(kāi)裂，如圖4所示。Luan等研究了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在高功率CO2激光輻照下的燒蝕行為，研究發(fā)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的生成與演化主要取決于激光光斑輻照區(qū)域局部溫度的差異，光斑中心區(qū)域較高的溫度會(huì)導(dǎo)致碳纖維發(fā)生劇烈的燒蝕。

圖4 不同功率激光導(dǎo)致的層間開(kāi)裂：(a) 500 W；(b) 1000 W
為了改善連續(xù)激光輻照纖維增強(qiáng)復(fù)合材料造成的層間開(kāi)裂，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用脈沖激光進(jìn)行了復(fù)合材料的燒蝕去除研究。Pan等利用大功率毫秒激光器對(duì)C/SiC進(jìn)行了單脈沖及多脈沖的燒蝕實(shí)驗(yàn)，毫秒激光燒蝕同樣給材料帶來(lái)了巨大的熱沖擊載荷及溫度梯度，隨著激光功率密度的增加，光斑中心區(qū)域的燒蝕現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重且出現(xiàn)了表面裂紋，數(shù)量眾多的球形SiC顆粒沉積在燒蝕區(qū)域邊緣。C/SiC基體與纖維的燒蝕不規(guī)則，導(dǎo)致加工區(qū)域形貌雜亂無(wú)章，如圖5所示。Marimuthu等研究了SiC增強(qiáng)復(fù)合材料在毫秒激光打孔過(guò)程中的成孔機(jī)理，通過(guò)高速相機(jī)觀(guān)察發(fā)現(xiàn)毫秒激光加工中存在著明顯的熔融體噴射現(xiàn)象，且伴隨有等離子體產(chǎn)生，從孔口噴出的熔融體主要由燒蝕過(guò)程中產(chǎn)生的蒸汽壓力驅(qū)動(dòng)。過(guò)強(qiáng)的熱作用導(dǎo)致孔口及側(cè)壁形貌不規(guī)則，嚴(yán)重影響了加工質(zhì)量。

圖5 不同脈沖數(shù)激光作用下C/SiC的表面形貌：(a) 50個(gè)脈沖；(b) 100個(gè)脈沖
CMC-SiC由多層纖維編織而成，在激光加工中會(huì)產(chǎn)生與一般均質(zhì)材料不同的缺陷。Wu等利用脈沖激光對(duì)C/SiC進(jìn)行了沿垂直纖維、平行纖維、纖維中軸三種掃描方向的加工實(shí)驗(yàn)，在加工參數(shù)相同的前提下，掃描方向不同得到的微結(jié)構(gòu)形貌尺寸不同，并且在微結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了纖維斷裂、基體缺失及微裂紋等加工缺陷，如圖6所示。Hejjaji等在碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的激光打孔過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了明顯的基體缺失，造成這種現(xiàn)象的原因是碳纖維具有較高的熱傳導(dǎo)率，在激光輻照過(guò)程中材料吸收的熱量沿纖維傳導(dǎo)至基體材料，大量的熱吸收導(dǎo)致基體材料被燒蝕。同時(shí)，加工區(qū)域邊緣基體材料缺失導(dǎo)致的纖維外露現(xiàn)象尤為明顯。

圖6 C/SiC在激光加工中產(chǎn)生的缺陷：(a)纖維斷裂；(b)基體缺失；(c)微裂紋
在CMC-SiC的激光加工過(guò)程中，表面氧化同樣是一項(xiàng)需要重點(diǎn)控制的加工缺陷。SiC是CMC-SiC的主要構(gòu)成成分，受到脈沖輻照所產(chǎn)生的熱作用影響會(huì)生成SiO2，即材料表面發(fā)生氧化。Wu等在空氣環(huán)境中使用脈沖激光對(duì)C/SiC進(jìn)行了加工，經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的觀(guān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)加工區(qū)域的底部、側(cè)壁及邊緣都覆蓋有白色顆粒物，如圖7所示。能譜分析表明沉積的顆粒物的主要成分是C、Si和O。Dang等制備了4種不同成分的C/SiC，并對(duì)激光燒蝕過(guò)程中的材料組織演變進(jìn)行了表征。在激光輻照的高溫低氧環(huán)境中，不同成分C/SiC的加工區(qū)域邊緣均產(chǎn)生了氧化，同時(shí)在光斑中心區(qū)域發(fā)現(xiàn)了殘留針狀碳纖維和無(wú)基體的納米碳層，說(shuō)明C/SiC中心區(qū)域發(fā)生了明顯的石墨化。

圖7 空氣環(huán)境中激光加工C/SiC時(shí)的氧化現(xiàn)象：(a)加工區(qū)域；(b)局部放大圖
在長(zhǎng)脈沖激光加工過(guò)程中，激光誘導(dǎo)等離子體的電離程度不高，材料去除主要依靠熱累積所引起的熔化與氣化，加工過(guò)程中熱作用非常明顯。CMC-SiC由多層纖維編織而成，纖維能夠承載并吸收熱量，熱應(yīng)力集中會(huì)導(dǎo)致材料產(chǎn)生分層、基體缺失及微裂紋等加工缺陷。在CMC-SiC的激光加工過(guò)程中，表面氧化同樣是一項(xiàng)需要重點(diǎn)控制的加工缺陷。
2.3 CMC-SiC的超短脈沖激光加工
為了控制CMC-SiC中由激光熱作用導(dǎo)致的加工缺陷利用超短脈沖激光對(duì)CMC-SiC 進(jìn)行精密加工成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。蔡敏等對(duì)比了納秒激光和皮秒激光的SiC/SiC加工效果，結(jié)果表明：納秒激光加工過(guò)程中材料表面同樣存在熱影響區(qū)，導(dǎo)致激光輻照區(qū)域產(chǎn)生了重鑄層、分層及微裂紋等缺陷；利用皮秒激光加工，相對(duì)納秒激光，SiC/SiC的加工質(zhì)量有顯著提高，激光輻照區(qū)域未發(fā)現(xiàn)熱影響區(qū)，即重鑄層、分層、微裂紋等缺陷在皮秒激光加工中得到了有效抑制。Liu等利用皮秒激光開(kāi)展了C/SiC的微孔加工實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)激光功率密度較低時(shí)，孔內(nèi)形成的反沖氣壓同樣較低，導(dǎo)致孔內(nèi)碎屑不能有效噴出；升高激光功率密度后，加工過(guò)程中孔內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波，形成的反沖高壓使得碎屑從孔內(nèi)高速向外噴射，微孔加工質(zhì)量明顯提高。Moreno等開(kāi)展了飛秒激光加工纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部基體材料的尺寸和形狀對(duì)激光加工質(zhì)量存在較大影響。在飛秒激光參數(shù)的合理調(diào)控下，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料獲得了良好的加工質(zhì)量。Zhai等在SiC/SiC上利用飛秒激光進(jìn)行了多種微結(jié)構(gòu)的制備研究，檢測(cè)報(bào)告顯示SiC/SiC加工區(qū)域輪廓清晰，沒(méi)有出現(xiàn)機(jī)械加工常見(jiàn)的崩邊、纖維拔出，以及長(zhǎng)脈沖激光加工中明顯的熱影響區(qū)。為了驗(yàn)證加工效果，利用飛秒激光在SiC/SiC表面制備了大面積的微槽結(jié)構(gòu)，加工效果如圖8所示。

圖8 SiC/SiC的飛秒激光加工效果：(a)加工區(qū)域；(b)局部放大圖
脈沖寬度是影響激光束與材料相互作用的重要因素，脈沖激光包括長(zhǎng)脈沖激光(＞100 ns)、短脈沖激光(10 ps~100 ns)及超短脈沖激光(＜10 ps)，不同脈寬激光與CMC-SiC的作用機(jī)理如圖9所示。連續(xù)激光及大功率長(zhǎng)脈沖激光作用下，CMC-SiC的材料去除主要依靠熱累積所引起的熔化與氣化；納秒激光屬于短脈沖激光，在CMC-SiC加工中產(chǎn)生的熱作用相對(duì)較小，CMC-SiC的刻蝕過(guò)程中包含光熱與光化學(xué)兩種作用；皮秒及飛秒激光的脈沖寬度極短，CMC-SiC表面刻蝕中幾乎不存在熱作用。在光化學(xué)作用下，材料連續(xù)吸收光子能量后發(fā)生電離，產(chǎn)生的等離子體高速?lài)娚涠觯珻MC-SiC的材料去除通過(guò)相爆炸、庫(kù)倫爆炸、光子機(jī)械破損等效應(yīng)的耦合作用完成。因此，超短脈沖激光憑借脈沖持續(xù)時(shí)間短、峰值功率密度高的特性，可用于實(shí)現(xiàn)CMC-SiC的非熱熔性冷加工。

圖9 不同脈沖寬度激光與CMC-SiC的作用機(jī)理
2.4 激光加工工藝優(yōu)化
為進(jìn)一步提高材料的加工質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在激光加工過(guò)程中嘗試提出了多種優(yōu)化方法。針對(duì)厚度較大的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的激光切割方法，Herzog等按照激光焦點(diǎn)移動(dòng)方式將其劃分為三種：焦點(diǎn)固定切割方式的切割深度最淺，焦點(diǎn)縱向進(jìn)給切割方式的切割深度有所加深，但是材料的各向異性會(huì)導(dǎo)致切口內(nèi)激光發(fā)生多次反射，所以這兩種切割方式都存在切口彎折現(xiàn)象，焦點(diǎn)平移配合縱向進(jìn)給切割方式的加工質(zhì)量最高，切割深度最深可達(dá)13 mm，加工效果對(duì)比如圖10所示。Wang等對(duì)空氣環(huán)境中超音速氣流和靜態(tài)條件下C/SiC的激光燒蝕行為開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)比不同條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，超音速氣流的機(jī)械沖蝕作用增加了激光對(duì)C/SiC的燒蝕速率，同時(shí)，超音速氣流帶來(lái)的冷卻效果及剪切應(yīng)力使燒蝕表面變得平滑。為了避免SiO2氧化層的出現(xiàn)，可以在激光加工的同時(shí)施加惰性氣體保護(hù)，常用的惰性氣體包括氮?dú)夂蜌鍤狻５?，Nasiri等研究發(fā)現(xiàn)氮?dú)庠诟邷丨h(huán)境下會(huì)和SiC及其氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成Si3N4。因此，可以選擇氬氣作為激光加工過(guò)程中的保護(hù)氣體，用于有效抑制C/SiC的表面氧化。

圖10 激光切割效果對(duì)比：(a)焦點(diǎn)固定式切割；(b)焦點(diǎn)平移配合進(jìn)給式切割
激光復(fù)合制造技術(shù)將激光與其他能場(chǎng)或工藝結(jié)合到同一加工過(guò)程中，對(duì)于金屬、陶瓷等材料，可以產(chǎn)生比單種能場(chǎng)更優(yōu)的加工效果。Kang等發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)能夠降低激光加工中熔池的溫度及材料的氧化速率，從而有效地抑制了重鑄層的形成。Ho等通過(guò)施加靜電場(chǎng)削弱等離子體團(tuán)聚并加速?lài)姙R顆粒物運(yùn)動(dòng)，提高了超短脈沖激光打孔過(guò)程中的材料去除率。Lu等研究了外部電磁場(chǎng)同時(shí)作用下材料的激光加工效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電磁場(chǎng)對(duì)等離子體的運(yùn)動(dòng)有影響，且提升了材料加工質(zhì)量。上述研究表明，激光的多能場(chǎng)復(fù)合加工有助于提高激光加工的質(zhì)量和效率。
針對(duì)不同表面微結(jié)構(gòu)研究最佳光束掃描路徑優(yōu)化算法，可以有效提高激光加工質(zhì)量的一致性及可重復(fù)性。在激光加工過(guò)程中，輔助以高速氣流或惰性氣體可以避免SiO2氧化層的出現(xiàn)。在激光加工過(guò)程中，合理使用輔助物理環(huán)境，能夠起到降低等離子團(tuán)聚、減小熱應(yīng)力、增加材料去除率等效果。但是，相關(guān)研究均處于概念化的探索階段，缺乏系統(tǒng)的理論研究，還無(wú)法將這些輔助加工技術(shù)實(shí)際應(yīng)用于CMC-SiC的激光加工中。
3CMC-SiC激光加工技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
航空航天領(lǐng)域中新型CMC-SiC材質(zhì)構(gòu)件正朝著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜化和組合形式多樣化方向發(fā)展，這無(wú)疑對(duì)CMC-SiC材質(zhì)構(gòu)件的制造質(zhì)量提出了更高要求，即必須保證在復(fù)合材料構(gòu)件上高效加工出極低損傷的多類(lèi)異型結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的小變形、近無(wú)缺陷加工。激光加工是集多學(xué)科于一體，各學(xué)科交叉融合形成的高端制造技術(shù)，其加工復(fù)雜結(jié)構(gòu)的能力、品質(zhì)與靈活性遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)加工技術(shù)，已成為帶動(dòng)高端制造業(yè)發(fā)展，替代傳統(tǒng)制造最有效的技術(shù)手段。其中，超短脈沖激光作為一種精密加工手段受到了世界各國(guó)研究人員越來(lái)越廣泛的關(guān)注，尤其是近年來(lái)鈦寶石自鎖模振蕩器、啁啾脈沖放大技術(shù)、全固態(tài)飛秒、光纖飛秒等重大技術(shù)不斷創(chuàng)新和發(fā)展，使得飛秒激光器在高重復(fù)頻率、高功率、穩(wěn)定性和實(shí)用性等方向上取得了大幅的突破。因此，使用超短脈沖激光加工復(fù)合材料已成為精密加工技術(shù)發(fā)展的新方向。與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)先進(jìn)復(fù)合材料的相關(guān)加工技術(shù)，特別是實(shí)現(xiàn)精密零件成型所需要的材料二次制造工藝，相對(duì)落后。為了突破精密加工面臨的技術(shù)瓶頸，未來(lái)應(yīng)主要圍繞以下三個(gè)方面發(fā)展CMC-SiC材料激光加工技術(shù)。
CMC-SiC材料與超短脈沖激光相互作用機(jī)理方面：為了更為全面地揭示激光與CMC-SiC的耦合光Ｇ熱Ｇ力等因素的作用機(jī)理，需要基于熱應(yīng)力耦合分析、激光誘導(dǎo)等離子體流體力學(xué)、波動(dòng)光學(xué)等方法及理論，進(jìn)一步研究和完善材料表面微結(jié)構(gòu)的激光刻蝕機(jī)理，準(zhǔn)確地掌握材料表面微結(jié)構(gòu)的生成條件和演化機(jī)制。深入分析CMC-SiC加工缺陷的產(chǎn)生原因，為激光加工工藝的優(yōu)化及加工質(zhì)量的改善奠定理論基礎(chǔ)。
CMC-SiC材料的超短脈沖激光加工工藝方面：為了進(jìn)一步提高CMC-SiC的激光加工效率與質(zhì)量，避免等離子團(tuán)聚導(dǎo)致的低效率，以及激光熱效應(yīng)致使的界面裂紋、表面氧化等問(wèn)題，需要研究基于激光耦合多能場(chǎng)(電磁場(chǎng)、動(dòng)能場(chǎng)、熱場(chǎng)及化學(xué)場(chǎng)等)的材料去除工藝。分析相變、沖擊波、超聲振動(dòng)、熱化學(xué)作用及基團(tuán)改性聯(lián)合作用對(duì)材料精確可控去除的影響規(guī)律，合理利用激光多能場(chǎng)的協(xié)同作用與疊加作用。
激光加工的CMC-SiC材質(zhì)構(gòu)件的應(yīng)用方面：因航空航天領(lǐng)域CMC-SiC材質(zhì)構(gòu)件的形式結(jié)構(gòu)具有多樣化，需要根據(jù)不同的加工條件與技術(shù)需要，通過(guò)深度融合材料、制造、控制、信息等各學(xué)科，來(lái)進(jìn)行激光束路徑規(guī)劃及高速掃描、裝備在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與補(bǔ)償、工件特征三維檢測(cè)與識(shí)別、光機(jī)電協(xié)同控制等核心技術(shù)的研究。使CMC-SiC材質(zhì)構(gòu)件的制造過(guò)程更加智能化，形成具有國(guó)際核心競(jìng)爭(zhēng)力的激光制造關(guān)鍵技術(shù)、工藝、裝備和應(yīng)用體系。
4結(jié)束語(yǔ)
CMC-SiC屬于一種新研制復(fù)合材料，目前針對(duì)CMC-SiC的激光加工研究還停留在基礎(chǔ)階段，相關(guān)研究主要集中于分析各種激光參數(shù)變化對(duì)CMC-SiC加工效果的影響。CMC-SiC由多層纖維編織而成，在激光加工中會(huì)產(chǎn)生與一般均質(zhì)材料不同的缺陷。連續(xù)激光及大功率長(zhǎng)脈沖激光帶來(lái)的熱效應(yīng)非常明顯，激光加工具有效率高、質(zhì)量較低的特點(diǎn)。雖然已有研究證實(shí)通過(guò)合理調(diào)控超短脈沖激光加工參數(shù)可獲得較好的加工質(zhì)量，但是相關(guān)研究均處于工藝摸索階段，缺乏系統(tǒng)的理論與實(shí)驗(yàn)研究支撐。因此，需要基于熱應(yīng)力耦合分析、激光誘導(dǎo)等離子體流體力學(xué)、波動(dòng)光學(xué)等方法及理論，進(jìn)一步研究和完善激光對(duì)CMC-SiC的作用機(jī)理，準(zhǔn)確地掌握表面微結(jié)構(gòu)的生成條件和演化機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)展CMC-SiC的超短脈沖激光多能場(chǎng)復(fù)合加工技術(shù)研究，尋找基體材料熱損傷的物理機(jī)制和抑制策略，大幅度提高CMC-SiC的加工效率與質(zhì)量。協(xié)同材料、制造、控制、信息等學(xué)科，研究激光束路徑規(guī)劃及高速掃描、裝備在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與補(bǔ)償、工件特征三維檢測(cè)與識(shí)別、光機(jī)電協(xié)同控制等關(guān)鍵技術(shù)，以滿(mǎn)足CMC-SiC材質(zhì)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜化和組合形式多樣化的發(fā)展需求。
通訊作者
梅雪松，西安交通大學(xué)教授，博導(dǎo) 本文引自：先進(jìn)陶瓷復(fù)合材料公眾號(hào)，僅供學(xué)習(xí)參考，如涉及版權(quán)請(qǐng)聯(lián)系刪除。