基于陶瓷基復合材料飛秒激光制孔工藝研究

■ 趙晨曦，桓恒，李偉劍，劉瑞軍

航空、航天發(fā)動機的推重比與其熱端部件的工作溫度密切相關。下一代航空發(fā)動機的推重比＞12，要求提高熱端部件的工作溫度到接近2000K。碳化硅陶瓷基復合材料具有低密度、高比強、高比模、耐高溫、耐磨損和耐化學腐蝕等優(yōu)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，因而在航空航天領域具有廣泛應用前景。但CMC-SiC復合材料是一種難加工材料，其硬度為2840~3320HV，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(chǎn)生毛刺、分層、撕裂、崩邊等損傷，易導致零件報廢，影響加工質(zhì)量。因此，尋找一種高精度、高質(zhì)量的加工手段迫在眉睫。

飛秒激光的加工原理是通過非線性吸收過程吸收激光能量，在材料內(nèi)部形成等離子體，當?shù)入x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。其加工單脈沖時間短，熱量還沒有擴散到基體就已經(jīng)完成了加工，由此實現(xiàn)飛秒激光的“冷加工”。同時，飛秒激光加工是一個非線性、非平衡過程，具有閾值效應明顯、極小化熱影響區(qū)、極小化重鑄層、可控性高等特點，可以有效避免在加工過程中出現(xiàn)的再鑄層、微裂紋等微觀組織缺陷，具備在CMC-SiC復合材料上的微孔加工能力。

1. 飛秒激光制孔工藝

（1）研究對象 本試驗以陶瓷基CMC-SiC復合材料作為研究對象，通過采用飛秒激光加工技術對陶瓷基復材板上分布的微孔進行研究試驗，以提高微孔的加工質(zhì)量，達到微孔表面無重熔層、微裂紋等缺陷的要求。

試片規(guī)格：30mm×20mm×4mm。試片預處理：將試片置于超聲波清洗機中清洗10~15min后，使用氣槍吹干。其中，清洗液為酒精和水的混合液，比例為1:10。

（2）工藝試驗研究 整個工藝開發(fā)及加工過程在千級超凈室內(nèi)進行。通過高功率制孔、低功率修孔兩道工步實現(xiàn)CMCSiC復合材料微孔成形加工。為了加工出?1.7mm的孔徑，首先采用高功率制孔，其加工目的為實現(xiàn)復合材料的一次打穿，形成正反面孔的直徑比在1:0.7~1:0.8之間；再次采用低功率修孔，實現(xiàn)微孔正反面孔的直徑比達到1:0.95以上，隨即精修孔，完成孔壁的光整。具體的試驗設置參數(shù)如表1、表2所示。

（3）工藝分析 飛秒激光采用旋轉(zhuǎn)加工方法，其掃描方式可以分為環(huán)形掃描和螺旋線掃描兩種路徑，如圖1所示。兩種加工方式都會伴隨著激光器Z軸方向的運動，使焦點位置不斷沿著孔深度方向向下移動。

螺旋線掃描的方式是一種面掃描的方式，激光加工曲線形成由內(nèi)到外再到內(nèi)的螺旋線循環(huán)方式，在電動機的高速帶動下，實現(xiàn)單個平面的掃描，伴隨著激光與工件的相對運動，可以在工件上實現(xiàn)深孔的加工。

環(huán)形掃描方式是一種線掃描的方式，在電動機的帶動下，在一個平面內(nèi)形成外輪廓圓形的掃描軌跡，伴隨著激光與工件的相對運動，可以在工件上實現(xiàn)內(nèi)壁光整的效果。

本工藝采用兩種掃描方式結(jié)合的加工方式，制孔及精修部分采用螺旋線掃描的加工方式，精修孔采用環(huán)形掃描的加工方式。制孔工藝目的為實現(xiàn)微孔的打穿，使激光加工的殘渣能夠向下流通，減弱在激光和工件之間形成的等離子體云，使加工的效果更好。修孔工藝的目的為提高孔的錐度及孔型的修整。精修孔的目的為實現(xiàn)孔壁的光整，降低內(nèi)壁的粗糙度。

2. 加工質(zhì)量分析與檢測

按照表2所提供的工藝參數(shù)，采用飛秒激光兩步加工法在C M C-S i C復合材料上完成f1.7mm的小孔加工，可獲得正反面圓度及錐度均良好的通孔。

具體分析如下：

（1）超景深顯微鏡分析 采用Olympus超景深顯微鏡對加工后的試樣拍攝觀察。分別選取了一次制孔后和最終加工后的正反面孔進行分析。

圖2為一次加工后的微孔正反面形貌。圖2a中正面孔形圓度較好，在孔的邊緣呈現(xiàn)一定的“鋸齒形”，而圖2b中反面則呈現(xiàn)出完全的鋸齒形，處于一種未完全加工的狀態(tài)。

圖1 飛秒激光加工的光束掃描方式

圖2 一次加工孔的正反面形貌

表1 飛秒激光加工參數(shù)

表2 參數(shù)設置

圖3為最終加工后的微孔正反面形貌。圖3中正反面的圓度均加工至理想狀態(tài)，正面孔徑為1753.794μm，反面孔徑為1740.879μm。其差值僅為13μm，錐度值（反面孔徑/正面孔徑）為99.26%，已經(jīng)形成了理論上的“圓柱孔。”

（2）S E M掃描電鏡分析 采用Ultra Plus型場發(fā)射分析掃描電子顯微鏡，對試樣金相做掃描，將加工后的微孔置于掃描電鏡下進行觀察，其孔的整體狀態(tài)如圖4所示。孔的邊緣清晰，未出現(xiàn)再鑄層和微裂紋，孔的內(nèi)壁光滑，無分層現(xiàn)象。

（3）無損檢測 本文采用的無損檢測方法為連續(xù)掃查的方式進行微焦點CT檢測，其優(yōu)勢在于無需破壞微孔就可以實現(xiàn)內(nèi)壁的整體檢測。而CMC-SiC復合材料本身就是一種難加工材料，使用傳統(tǒng)的砂紙打磨的手段很難實現(xiàn)金相試樣的制備，而使用機加手段又會破壞基體，工業(yè)CT能夠滿足檢測條件。

如圖5為飛秒激光加工孔的CT掃描檢測照片，用于觀測孔壁情況。圖中使用黃線圈出的部分為材料本身受制造水平存在的分層缺陷。根據(jù)圖片可以看出，飛秒激光加工后的孔壁為垂直狀態(tài)，驗證了加工后的孔形呈現(xiàn)為圓柱形。孔壁光滑，無再鑄層、微裂紋缺陷，同時孔壁附近未顯示出圈出的黑色斑點，即飛秒激光加工后不會導致分層缺陷。

3. 結(jié)語

（1）在合適的工藝參數(shù)下，采用飛秒激光可實現(xiàn)CMCSiC復合材料的小孔加工，并已驗證其工藝可行性。

圖3 最終加工孔的正反面形貌

圖4 微孔掃描電鏡微觀形貌

圖5 CT檢測縱向微觀形貌

（2）通過超景深顯微鏡、掃描電鏡及無損檢測等手段對加工后的?1.7mm小孔進行檢測，證明飛秒激光加工CMC-SiC復合材料小孔的圓度、錐度可以達到99%以上，同時表面不存在微裂紋及再鑄層等缺陷，孔深方向無分層出現(xiàn)。

[1] 王晶，等. 碳化硅陶瓷基復合材料加工技術研究進展[J]. 航空制造技術，2016，（15）：50-56.

[2] NASLAINR. Design,preparation andproperties of non-oxide CMCs for applicationin engines and nuclear reactors: an overview[J].Composites Science and Technology, 2004,64：155-170.

[3] ROSSO M. Ceramic and metal matrixcomposites:routes and properties[J].Journal ofMaterials Processing Technology，2006, 175(1-3)：364-375.

[4] 陳林. 基于磨料水射流的過程陶瓷鉆削試驗研究[D].西華大學，2012.

[5] 譚超. 飛秒激光加工金屬微孔工藝及表面質(zhì)量研究[D]. 中南大學，2014.