CMC-SiC碳化硅陶瓷基復合材料激光刻蝕技術

近年來，世界各國航空航天事業(yè)不斷發(fā)展，航空航天制造領域?qū)Σ牧系囊蟛粩嗵嵘?。新型高性能材料和先進復合材料因具有多功能性、結(jié)構整體性及可設計性等眾多優(yōu)勢，越來越受到各國研究人員的重視。隨著航空發(fā)動機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)已接近實際工況要求的極限，有限的提升空間難以滿足未來高推重比航空發(fā)動機發(fā)展的需要。碳化硅陶瓷基復合材料(CMC-SiC)具有密度低、強度高、耐高溫、抗腐蝕等優(yōu)點，同時材料內(nèi)部纖維的增強和增韌作用有效克服了陶瓷材料斷裂韌性差的缺點，使得這種新型復合材料在航空航天領域具有廣泛應用潛力。根據(jù)內(nèi)部纖維成分的不同，CMC-SiC主要分為兩種類型：碳纖維強化碳化硅陶瓷基復合材料(C/SiC)和碳化硅纖維強化碳化硅陶瓷基復合材料(SiC/SiC)。CMC-SiC的密度僅相當于高溫合金的30％，在不使用冷卻和涂層技術的條件下，其工作溫度較高溫合金可提高200℃以上。在航空發(fā)動機中使用CMC-SiC材質(zhì)構件，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、美國和日本已經(jīng)將CMC-SiC成功應用于航空航天飛行器的燃燒室、渦輪、噴管等熱端構件及熱防護系統(tǒng)。此外，CMC-SiC在核電能源、國防軍工及海洋工程等領域也具有廣闊的應用前景。
航空航天領域的新型CMC-SiC材質(zhì)構件正朝著結(jié)構設計復雜化和組合形式多樣化方向發(fā)展，要將CMC-SiC材質(zhì)構件裝配到航空航天飛行器中，材料經(jīng)過加工的功能化結(jié)構的精度需要達到設計要求。例如，作為航空發(fā)動機動力能源裝置關鍵構件的CMC-SiC葉片和CMC-SiC渦輪外環(huán)，其形狀日益復雜、尺寸日益增大，寬弦風扇葉片、掠形轉(zhuǎn)子葉片等復雜新型結(jié)構不斷被研發(fā)出來。加工尺寸超差的構件的表面質(zhì)量與尺寸精度無法滿足發(fā)動機裝配質(zhì)量要求，將其裝配到航空航天飛行器中，不僅會嚴重影響發(fā)動機的使用功能和性能，更無法體現(xiàn)具有優(yōu)異熱力學性能的CMC-SiC在航空航天嚴苛工作環(huán)境中的應用價值?？梢姡珻MC-SiC材質(zhì)構件的精密加工作為決定航空航天產(chǎn)品使用性能優(yōu)劣的一項基礎加工工藝，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合材料，配合優(yōu)質(zhì)高效激光加工技術，在航空航天領域應用前景廣闊。本文面向航空航天制造領域的重大需求與國際前沿，通過分析CMC-SiC的激光加工研究現(xiàn)狀與進展，指出了CMC-SiC材料激光加工技術的發(fā)展趨勢，旨在為我國新型航空航天CMC-SiC材質(zhì)構件的精密制造提供理論依據(jù)與技術參考。
1常規(guī)加工技術在CMC-SiC加工中面臨的瓶頸
陶瓷基復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CMC-SiC進行精密加工。其優(yōu)點是加工尺寸可控，缺點是刀具磨損嚴重，導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，這些加工缺陷會直接影響加工質(zhì)量，甚至導致零件報廢。區(qū)別于傳統(tǒng)加工方法，可應用于CMC-SiC的特種加工技術包括超聲加工、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)點是不存在熱影響區(qū)，缺點是預制成型工具成本高，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)點是加工速度快，缺點是容易造成加工區(qū)域邊緣撕裂；由于CMC-SiC略有電導性，可以利用電火花加工進行處理，但是在精密加工領域，電火花加工技術對材料有嚴重的熱影響。超聲加工、水射流加工及電火花加工的效果如圖1所示。在這些加工技術中，激光加工的優(yōu)勢明顯，包括加工質(zhì)量高、非接觸式加工、對材料輸入熱量低、適用材料范圍廣，以及易于和數(shù)控技術結(jié)合實現(xiàn)自動化。從制造技術的未來發(fā)展趨勢來看，激光加工將成為CMC-SiC材質(zhì)構件精密制造的主流技術。

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)構中還包含許多微小孔隙，復雜的材料結(jié)構致使CMC-SiC在激光加工過程中會產(chǎn)生與一般均質(zhì)材料不同的物理和化學變化。在纖維增強復合材料與激光相互作用機理方面，國內(nèi)外學者基于理論與實驗進行了大量探索。吳恩啟等理論研究了碳纖維增強復合材料的熱傳導規(guī)律，推導出了復合材料內(nèi)部纖維束平面內(nèi)熱擴散系數(shù)與相位梯度的關系。纖維編織復合材料具有各向異性的特點，纖維束方向會直接影響熱傳導規(guī)律，且復合材料的熱擴散系數(shù)與編織方式和基體材料分布相關。Allheily等研究了高能量激光對碳纖維增強復合材料的燒蝕機制，發(fā)現(xiàn)碳纖維增強復合材料對激光輻照產(chǎn)生的熱量具有很強的隔絕作用，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等使用波動光學仿真軟件分析了C/SiC原始表面粗糙度對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，電場會發(fā)生偏移或減弱，電場強度的不均勻分布導致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 實驗及仿真結(jié)果對比：(a)電鏡圖；(b)彎曲形貌；(c)狹窄形貌
為了研究不同參數(shù)的激光對纖維增強復合材料的作用機制，Takahashi等分別使用波長1064 nm的紅外激光和266 nm的紫外激光對碳纖維增強復合材料進行了加工，分析了激光與纖維增強復合材料的作用機理。波長較長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)，而波長較短的紫外激光則依靠光化學作用去除材料，加工區(qū)域邊緣熱影響區(qū)比較小，如圖3所示。Zhai等使用重復頻率為200 kHz的脈沖激光對SiC/SiC進行了表面加工，實驗結(jié)果表明較高的重復頻率有利于提高加工速度，但是過大的光斑重疊率會導致脈沖間的熱積累現(xiàn)象顯著。這種熱效應對SiC/SiC加工是不利的，會導致材料表面氧化及加工精度下降。

圖3 不同波長激光對纖維增強材料的作用效果對比：(a)紅外激光；(b)紫外激光
研究人員利用仿真計算軟件從熱力學、波動光學等不同角度對激光與CMC-SiC相互作用機理進行了探討，通過實驗研究了激光波長、脈沖重復頻率等加工參數(shù)對刻蝕效果的影響。但是，依靠單一能場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、力等因素的作用機理。
2.2 連續(xù)及長脈沖激光加工中的典型熱致缺陷
為了實現(xiàn)短時間內(nèi)大去除量的高效加工，大功率長脈沖激光器被應用于纖維增強復合材料的激光加工中。Liu等對連續(xù)激光輻照下碳纖維增強復合材料的熱機械響應進行了實驗研究，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，由于熱應力集中，材料出現(xiàn)了明顯的層間開裂，如圖4所示。Luan等研究了碳纖維增強復合材料在高功率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)域較高的溫度會導致碳纖維發(fā)生劇烈的燒蝕。

圖4 不同功率激光導致的層間開裂：(a) 500 W；(b) 1000 W
為了改善連續(xù)激光輻照纖維增強復合材料造成的層間開裂，國內(nèi)外學者利用脈沖激光進行了復合材料的燒蝕去除研究。Pan等利用大功率毫秒激光器對C/SiC進行了單脈沖及多脈沖的燒蝕實驗，毫秒激光燒蝕同樣給材料帶來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)象越來越嚴重且出現(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，導致加工區(qū)域形貌雜亂無章，如圖5所示。Marimuthu等研究了SiC增強復合材料在毫秒激光打孔過程中的成孔機理，通過高速相機觀察發(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程中產(chǎn)生的蒸汽壓力驅(qū)動。過強的熱作用導致孔口及側(cè)壁形貌不規(guī)則，嚴重影響了加工質(zhì)量。

圖5 不同脈沖數(shù)激光作用下C/SiC的表面形貌：(a) 50個脈沖；(b) 100個脈沖
CMC-SiC由多層纖維編織而成，在激光加工中會產(chǎn)生與一般均質(zhì)材料不同的缺陷。Wu等利用脈沖激光對C/SiC進行了沿垂直纖維、平行纖維、纖維中軸三種掃描方向的加工實驗，在加工參數(shù)相同的前提下，掃描方向不同得到的微結(jié)構形貌尺寸不同，并且在微結(jié)構中發(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等在碳纖維增強復合材料的激光打孔過程中也發(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率，在激光輻照過程中材料吸收的熱量沿纖維傳導至基體材料，大量的熱吸收導致基體材料被燒蝕。同時，加工區(qū)域邊緣基體材料缺失導致的纖維外露現(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的激光加工過程中，表面氧化同樣是一項需要重點控制的加工缺陷。SiC是CMC-SiC的主要構成成分，受到脈沖輻照所產(chǎn)生的熱作用影響會生成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C/SiC進行了加工，經(jīng)過對實驗結(jié)果的觀測，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，并對激光燒蝕過程中的材料組織演變進行了表征。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，同時在光斑中心區(qū)域發(fā)現(xiàn)了殘留針狀碳纖維和無基體的納米碳層，說明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時的氧化現(xiàn)象：(a)加工區(qū)域；(b)局部放大圖
在長脈沖激光加工過程中，激光誘導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，熱應力集中會導致材料產(chǎn)生分層、基體缺失及微裂紋等加工缺陷。在CMC-SiC的激光加工過程中，表面氧化同樣是一項需要重點控制的加工缺陷。
2.3 CMC-SiC的超短脈沖激光加工
為了控制CMC-SiC中由激光熱作用導致的加工缺陷利用超短脈沖激光對CMC-SiC 進行精密加工成為國內(nèi)外學者研究的熱點。蔡敏等對比了納秒激光和皮秒激光的SiC/SiC加工效果，結(jié)果表明：納秒激光加工過程中材料表面同樣存在熱影響區(qū)，導致激光輻照區(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等利用皮秒激光開展了C/SiC的微孔加工實驗，研究發(fā)現(xiàn)：當激光功率密度較低時，孔內(nèi)形成的反沖氣壓同樣較低，導致孔內(nèi)碎屑不能有效噴出；升高激光功率密度后，加工過程中孔內(nèi)產(chǎn)生強烈的沖擊波，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等開展了飛秒激光加工纖維增強復合材料的實驗研究，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部基體材料的尺寸和形狀對激光加工質(zhì)量存在較大影響。在飛秒激光參數(shù)的合理調(diào)控下，纖維增強復合材料獲得了良好的加工質(zhì)量。Zhai等在SiC/SiC上利用飛秒激光進行了多種微結(jié)構的制備研究，檢測報告顯示SiC/SiC加工區(qū)域輪廓清晰，沒有出現(xiàn)機械加工常見的崩邊、纖維拔出，以及長脈沖激光加工中明顯的熱影響區(qū)。為了驗證加工效果，利用飛秒激光在SiC/SiC表面制備了大面積的微槽結(jié)構，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的作用機理如圖9所示。連續(xù)激光及大功率長脈沖激光作用下，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)生的熱作用相對較小，CMC-SiC的刻蝕過程中包含光熱與光化學兩種作用；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)生的等離子體高速噴射而出，CMC-SiC的材料去除通過相爆炸、庫倫爆炸、光子機械破損等效應的耦合作用完成。因此，超短脈沖激光憑借脈沖持續(xù)時間短、峰值功率密度高的特性，可用于實現(xiàn)CMC-SiC的非熱熔性冷加工。

圖9 不同脈沖寬度激光與CMC-SiC的作用機理
2.4 激光加工工藝優(yōu)化
為進一步提高材料的加工質(zhì)量，國內(nèi)外學者在激光加工過程中嘗試提出了多種優(yōu)化方法。針對厚度較大的碳纖維增強復合材料的激光切割方法，Herzog等按照激光焦點移動方式將其劃分為三種：焦點固定切割方式的切割深度最淺，焦點縱向進給切割方式的切割深度有所加深，但是材料的各向異性會導致切口內(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，焦點平移配合縱向進給切割方式的加工質(zhì)量最高，切割深度最深可達13 mm，加工效果對比如圖10所示。Wang等對空氣環(huán)境中超音速氣流和靜態(tài)條件下C/SiC的激光燒蝕行為開展了實驗研究，對比不同條件下的實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，超音速氣流的機械沖蝕作用增加了激光對C/SiC的燒蝕速率，同時，超音速氣流帶來的冷卻效果及剪切應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施加惰性氣體保護，常用的惰性氣體包括氮氣和氬氣。但是，Nasiri等研究發(fā)現(xiàn)氮氣在高溫環(huán)境下會和SiC及其氧化物發(fā)生化學反應，生成Si3N4。因此，可以選擇氬氣作為激光加工過程中的保護氣體，用于有效抑制C/SiC的表面氧化。

圖10 激光切割效果對比：(a)焦點固定式切割；(b)焦點平移配合進給式切割
激光復合制造技術將激光與其他能場或工藝結(jié)合到同一加工過程中，對于金屬、陶瓷等材料，可以產(chǎn)生比單種能場更優(yōu)的加工效果。Kang等發(fā)現(xiàn)超聲振動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等通過施加靜電場削弱等離子體團聚并加速噴濺顆粒物運動，提高了超短脈沖激光打孔過程中的材料去除率。Lu等研究了外部電磁場同時作用下材料的激光加工效果，實驗結(jié)果表明電磁場對等離子體的運動有影響，且提升了材料加工質(zhì)量。上述研究表明，激光的多能場復合加工有助于提高激光加工的質(zhì)量和效率。
針對不同表面微結(jié)構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性。在激光加工過程中，輔助以高速氣流或惰性氣體可以避免SiO2氧化層的出現(xiàn)。在激光加工過程中，合理使用輔助物理環(huán)境，能夠起到降低等離子團聚、減小熱應力、增加材料去除率等效果。但是，相關研究均處于概念化的探索階段，缺乏系統(tǒng)的理論研究，還無法將這些輔助加工技術實際應用于CMC-SiC的激光加工中。
3CMC-SiC激光加工技術發(fā)展趨勢
航空航天領域中新型CMC-SiC材質(zhì)構件正朝著結(jié)構設計復雜化和組合形式多樣化方向發(fā)展，這無疑對CMC-SiC材質(zhì)構件的制造質(zhì)量提出了更高要求，即必須保證在復合材料構件上高效加工出極低損傷的多類異型結(jié)構，實現(xiàn)構件的小變形、近無缺陷加工。激光加工是集多學科于一體，各學科交叉融合形成的高端制造技術，其加工復雜結(jié)構的能力、品質(zhì)與靈活性遠高于傳統(tǒng)加工技術，已成為帶動高端制造業(yè)發(fā)展，替代傳統(tǒng)制造最有效的技術手段。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研究人員越來越廣泛的關注，尤其是近年來鈦寶石自鎖模振蕩器、啁啾脈沖放大技術、全固態(tài)飛秒、光纖飛秒等重大技術不斷創(chuàng)新和發(fā)展，使得飛秒激光器在高重復頻率、高功率、穩(wěn)定性和實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合材料已成為精密加工技術發(fā)展的新方向。與國外發(fā)達國家相比，我國先進復合材料的相關加工技術，特別是實現(xiàn)精密零件成型所需要的材料二次制造工藝，相對落后。為了突破精密加工面臨的技術瓶頸，未來應主要圍繞以下三個方面發(fā)展CMC-SiC材料激光加工技術。
CMC-SiC材料與超短脈沖激光相互作用機理方面：為了更為全面地揭示激光與CMC-SiC的耦合光Ｇ熱Ｇ力等因素的作用機理，需要基于熱應力耦合分析、激光誘導等離子體流體力學、波動光學等方法及理論，進一步研究和完善材料表面微結(jié)構的激光刻蝕機理，準確地掌握材料表面微結(jié)構的生成條件和演化機制。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。
CMC-SiC材料的超短脈沖激光加工工藝方面：為了進一步提高CMC-SiC的激光加工效率與質(zhì)量，避免等離子團聚導致的低效率，以及激光熱效應致使的界面裂紋、表面氧化等問題，需要研究基于激光耦合多能場(電磁場、動能場、熱場及化學場等)的材料去除工藝。分析相變、沖擊波、超聲振動、熱化學作用及基團改性聯(lián)合作用對材料精確可控去除的影響規(guī)律，合理利用激光多能場的協(xié)同作用與疊加作用。
激光加工的CMC-SiC材質(zhì)構件的應用方面：因航空航天領域CMC-SiC材質(zhì)構件的形式結(jié)構具有多樣化，需要根據(jù)不同的加工條件與技術需要，通過深度融合材料、制造、控制、信息等各學科，來進行激光束路徑規(guī)劃及高速掃描、裝備在線監(jiān)測與補償、工件特征三維檢測與識別、光機電協(xié)同控制等核心技術的研究。使CMC-SiC材質(zhì)構件的制造過程更加智能化，形成具有國際核心競爭力的激光制造關鍵技術、工藝、裝備和應用體系。
4結(jié)束語
CMC-SiC屬于一種新研制復合材料，目前針對CMC-SiC的激光加工研究還停留在基礎階段，相關研究主要集中于分析各種激光參數(shù)變化對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)激光及大功率長脈沖激光帶來的熱效應非常明顯，激光加工具有效率高、質(zhì)量較低的特點。雖然已有研究證實通過合理調(diào)控超短脈沖激光加工參數(shù)可獲得較好的加工質(zhì)量，但是相關研究均處于工藝摸索階段，缺乏系統(tǒng)的理論與實驗研究支撐。因此，需要基于熱應力耦合分析、激光誘導等離子體流體力學、波動光學等方法及理論，進一步研究和完善激光對CMC-SiC的作用機理，準確地掌握表面微結(jié)構的生成條件和演化機制。在此基礎上，開展CMC-SiC的超短脈沖激光多能場復合加工技術研究，尋找基體材料熱損傷的物理機制和抑制策略，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、信息等學科，研究激光束路徑規(guī)劃及高速掃描、裝備在線監(jiān)測與補償、工件特征三維檢測與識別、光機電協(xié)同控制等關鍵技術，以滿足CMC-SiC材質(zhì)構件的結(jié)構設計復雜化和組合形式多樣化的發(fā)展需求。
通訊作者
梅雪松，西安交通大學教授，博導 本文引自：先進陶瓷復合材料公眾號，僅供學習參考，如涉及版權請聯(lián)系刪除。