激光類型對SiC/SiC復合材料孔加工的影響

楊金華, 黃望全, 馮曉星, 劉 虎, 艾瑩珺, 周怡然, 焦 健*

（1.中國航發北京航空材料研究院 先進復合材料科技重點實驗室, 北京100095；2.中國航發商用航空發動機有限責任公司, 上海 200241）

隨著航空航天技術的不斷發展，對于耐高溫材料的需求也日益迫切。SiC/SiC復合材料由于具有耐高溫、抗氧化及低密度等重要特性，成為航空發動機的新型耐高溫材料[1-3]。各大航空公司均投入大量研發力量進行技術攻關，例如，美國GE公司已經將該材料應用到LEAP發動機的渦輪外環、GE9X發動機的渦輪外環、導向葉片及火焰筒等部位，實現了商業化應用，該材料的應用可以通過提高構件的工作溫度及減重實現發動機燃油經濟性的提高[4-5]。目前，SiC/SiC復合材料的應用已經成為體現發動機先進性的標志性技術之一。

發動機火焰筒、導向葉片等部件由于工作溫度高[6]，需采用低溫氣體對其進行冷卻保護，因此在該類零件表面需加工大量冷卻孔。SiC/SiC復合材料具有硬度高及各向異性的特點，對于孔徑＜1 mm的冷卻孔，無法使用機械的方法進行制備，并且不同于金屬材料，可以采用電火花進行冷卻孔加工，由于SiC屬于半導體，因此導電性較差，電火花加工過程中容易產生重鑄層[7]。此外，磨料水射流方法可以用于SiC基復合材料的切割或者大尺寸孔徑的加工，而對于小尺寸的冷卻孔無法實現加工[8]。激光加工過程能量集中、可控性高，不產生機械應力，并且由于SiC能夠較好地吸收激光，因此使得激光加工成為一種比較有效的制孔方法[9]。

工業化應用的激光主要分為超短脈沖激光、短脈沖激光與長脈沖激光。超短脈沖激光常見的有皮秒激光與飛秒激光，此類激光單脈沖持續時間短，熱量在加工過程中幾乎不發生傳遞，加工過程幾乎為冷加工，加工邊緣干凈整齊，但此類激光去除效率低，并且激光器造價高昂，常用于精密電子行業；短脈沖激光主要是指納秒激光，該類激光與皮秒或飛秒激光器相比，加工效率明顯提升，加工過程產生少量熱量；長脈沖激光主要是指毫秒脈沖激光，該類激光具有激光功率大、加工效率高的特點，但加工過程產生熱量較多，對材料有一定影響。SiC/SiC復合材料發動機零件通常具有成千上萬個孔，由于超短脈沖激光效率較低、加工周期長，具備工業化應用可行性的主要為納秒激光與毫秒激光。

國內外諸多學者開展了激光加工陶瓷基復合材料的相關研究。Chen等采用毫秒激光加工了SiC/SiC復合材料，研究結果表明，孔周邊存在25～50 μm厚度的新生層，但未對該層做進一步研究[10]。H?nig等采用激光在3.6 mm厚SiC/SiCN材料上進行打孔，孔直徑為 0.9 mm，傾斜 25°，結果表明，激光加工后，在孔長度為一半的區域內壁形成了厚度約為80 μm的多孔SiO2層[11]。Li等采用皮秒激光在化學氣相沉積工藝制備的SiC/SiC復合材料上進行制孔，發現在孔內部存在較多的殘渣和碎片，分析結果表明，這些殘渣和碎片中存在Si—O鍵和Si—C鍵，表明加工過程中發生了不完全氧化[12-13]。Zhai等采用飛秒激光加工SiC/SiC復合材料，采用該技術加工的孔邊緣形狀規則，加工后的孔無明顯崩邊、纖維拔出、熱影響區（HAZ）及氧化等現象[14]。Zhang等采用皮秒激光加工C/SiC復合材料時，認為C/SiC復合材料吸收激光能量后，產生了Si、C及O等離子，O很容易與Si及C相結合，引起氧化，并且在表面形成SiOx殘渣或納米顆粒[15]。

本工作分別采用納秒與毫秒兩種不同的激光，在SiC/SiC平板試件上進行制孔，并對不同激光的加工效率、加工錐度和加工損傷與形貌進行對比分析。

1 實驗材料與方法

SiC/SiC復合材料采用熔融滲硅法制備[16]，纖維采用國產二代SiC纖維，SiC/SiC復合材料體積密度為2.78 g/cm3，開氣孔率＜2%，試樣尺寸為100 mm×25 mm×3 mm，分別采用毫秒與納秒激光進行孔加工，孔直徑為0.6 mm，傾斜角度為25°。毫秒激光波長為1070 nm，由六軸數控激光高效制孔設備（MicroDrill-200H）進行加工，激光器功率1500 W；納秒激光波長為532 nm，采用五軸三維激光精密加工系統（NGL5A1008）進行加工，激光器功率40 W。SiC/SiC復合材料試樣激光制孔后，將其拉斷以觀察孔斷面形貌。采用毫秒激光進行孔加工的樣品命名為HM，采用納秒激光進行孔加工的樣品命名為NM。

采用Leica DMS1000體視顯微鏡分別對試樣激光入口端、出口端表面和孔斷面進行觀察；采用FEI NANO SEM 450 場發射掃描電鏡（SEM）進行形貌分析，采用其附帶的能譜儀進行元素分析。采用 Phoenix v | tome | x m 微納 CT 對樣品進行內部結構無損檢測，檢測電壓 100 kV，電流 150 μA。

孔的錐角通過式（1）計算得出：

式中：θ為錐角；a為入口端短軸；b為出口端短軸；l為孔長度。

2 結果與分析

2.1 加工效率與加工精度

表1給出了毫秒激光與納秒激光單孔加工時間與孔尺寸精度對比。激光加工通常都存在錐度問題，而該項指標也是衡量激光加工精度的重要參數，由表1可知，毫秒激光加工的孔錐度更小，這可能是由于納秒激光的脈沖寬度短，能量密度高，加工過程是逐層的方式去除材料，由于激光自身是從大光束聚成小光斑，加工過程激光束呈錐形，致使被加工的材料產生錐度；毫秒激光脈沖寬度長，能量密度較低，屬于熱加工，材料周邊有明顯的熱影響區，加工過程中配合同軸度比較高的氣壓將熔融物吹出，因此錐度較小。

表1 毫秒激光與納秒激光單孔加工時間和尺寸精度Table 1 Single-hole processing time and size precision of millisecond laser and nanosecond laser

2.2 光學顯微鏡表征

圖1為兩種激光加工試樣孔內壁的宏觀形貌。從圖1可以看出，采用毫秒激光加工時，孔內壁存在較多的殘留物，而納秒激光加工出來的孔內壁相對比較光滑。采用毫秒激光加工時，孔入口端存在明顯的白色半透明狀殘留物，并且出口端殘留物較入口端明顯減少。采用納秒激光加工時，入口端和出口端孔內壁均未發現明顯的殘留物，但是入口端有明顯的發白現象。

圖1 兩種激光加工試樣孔斷面宏觀形貌 （a）HM 樣品；（b）NM 樣品；（1）入口端；（2）出口端Fig.1 Cross-section morphologies of holes processed by two kinds of laser （a）sample HM；（b） sample NM；（1）inlet；（2）outlet

圖2為不同激光加工方法入口端和出口端表面形貌。從圖2可以看出，采用毫秒激光加工時，入口端樣品表面存在明顯的黃色殘留物，出口端表面同樣存在殘留物，但數量明顯較少。采用納秒激光加工時，入口端表面出現部分變色現象，但未發現殘留物，而出口端表面無殘留物與變色現象。

圖2 兩種激光加工試樣孔表面宏觀形貌 （a）HM 樣品；（b）NM 樣品；（1）入口端；（2）出口端Fig.2 Surface morphologies of holes processed by two kinds of laser （a） sample HM；（b） sample HM；（1） inlet；（2） outlet

2.3 掃描電鏡表征

圖3為兩種激光加工試樣孔斷面形貌、殘留物形貌和殘留物成分析。圖3（a-1）為毫秒激光加工孔內部形貌，圖3（b-1）為納秒激光加工后孔內部形貌，所選區域均為孔中間段區域，從圖中可以看出，毫秒激光加工后內部存在尺寸較大的殘留物（圖3（a-2）），并且殘留物呈泡狀；而納秒激光加工后，孔內壁殘留物較少（圖3（b-2））。對上述殘留物進行EDX分析，結果表明：殘留物均含有明顯的氧元素，表明加工過程中均發生氧化反應，根據元素比例進行推算，HM樣品殘留物主要成分為氧化硅、氧化硼并含有少量的碳化硅（圖3（a-3））；NM樣品主要殘留物為氧化硅、氧化硼、少量碳化硅及硅。NM樣品中碳化硅含量略高，并且含有少量的硅（圖3（b-3）），可能是由于其能量密度高并且與樣品的作用時間短，當溫度超過2700 ℃時，能夠引起SiC纖維、SiC基體和硅的揮發[12, 17]。

圖3 兩種激光加工試樣 （a）HM 樣品；（b）NM 樣品；（1）孔斷面 SEM 形貌；（2）殘留氧化物 SEM 形貌；（3）殘留氧化物組分分析Fig.3 Samples processed by two kinds of laser （a） sample HM; （b） sample NM; （1） SEM image of cross-section of the hole;（2） SEM image of the oxide in the hole; （3） EDX of the oxide in the hole

HM樣品內殘留物呈泡狀，主要是由于在高溫氧化環境下，發生如下反應[18-19]：

首先是SiC纖維或基體中的碳化硅與氧氣發生反應生成SiO2，進而SiO2與碳化硅發生反應形成SiO、CO氣體，在玻璃態的二氧化硅中形成氣泡。此外，有氧環境下，BN界面層會氧化生成熔點為 450 ℃的 B2O3，黏流態的 B2O3與 SiO2發生反應生成含硅硼的玻璃態物質，因此殘留物中能夠檢測到硼元素。同時部分含硅硼的玻璃態物質還會進一步分解生成氣態B2O3，也會致使殘留物呈泡狀，發生的化學反應如下[20-21]：

圖4為兩種激光加工試樣孔周邊和中間形貌。圖4（a-1）為毫秒激光加工樣品的孔周邊微觀形貌，可以看出，孔周邊存在明顯的重熔-氧化區與熱影響區。重熔-氧化區相對較為致密，熱影響區內疏松多孔；圖4（a-2）為毫秒樣品重熔-氧化區內側微觀結構，可以看出，該區域表面顆粒狀較為明顯，存在尺寸較小的孔隙，并且重熔-氧化區內部存在較多的裂紋，可能是由于熱膨脹系數與復合材料本體不同所導致。圖4（b-1）為納秒激光加工樣品的孔周邊微觀形貌，可以看出，孔周邊無明顯重熔-氧化區與熱影響區，這主要是由于與毫秒激光相比，納秒激光具有脈沖寬度短、峰值功率高的特點，因此熱擴散區域小；圖4（b-2）為納秒樣品出口端附近孔壁內側微觀結構，可以看出，纖維及界面層輪廓仍清晰可見，表面有薄薄一層絮狀物。圖5（a）為HM樣品重熔-氧化區EDX元素分析圖譜，圖5（b）為熱影響區元素分析圖譜，可以看出，重熔-氧化區的氧含量較高，主要由碳化硅及硅的重熔物、氧化硅及氧化硼等氧化產物組成；熱影響區氧含量相對較低，存在輕微氧化現象，熱影響區孔隙結構可能由氧化過程產生的氣體逸出及基體內的自由硅揮發引起。與納秒激光相比，毫秒激光能量密度較低，屬于熱加工，孔內熔融物/氧化產物主要以飛濺形式排出，并且容易在孔周邊堆積，未完全排出的熔融物/氧化產物在孔壁冷卻凝固，并且由于加工時激光與材料作用時間長，引起孔周邊材料發生變化，形成熱影響區[9, 22]。而納秒激光具有脈沖寬度短、峰值功率高的特點，因此熱影響小，幾乎觀察不到熱影響區。由于氧化硅的熱膨脹系數明顯低于碳化硅，HM樣品中重熔-氧化區可能會降低孔的冷卻效果[11]，Zhang等的研究結果表明可以通過HF腐蝕等方法除去激光加工過程產生的氧化物[23]。

圖4 兩種激光加工試樣 （a）HM 樣品；（b）NM 樣品；（1）孔周邊斷裂面形貌；（2）孔中間部位表面形貌Fig.4 Samples processed by two kinds of laser （a） sample HM; （b） sample NM; （1） cross-section morphology of the surrounding area of the hole; （d） surface morphology of the hole in the middle area

圖5 毫秒激光加工試樣 （a）重熔-氧化區元素組成；（b）熱影響區元素組成。Fig.5 Sample processed by milisecond laser （a） EDX of oxide layer； （b） EDX of HAZ

2.4 CT表征

CT無損檢測可以在不破壞試樣的前提下檢測出缺陷的形狀、位置及尺寸等信息，圖6為不同激光制孔的CT形貌，所選取的位置為孔的中間段部位，從圖6（a-1）、（a-2）可以看出，采用毫秒激光加工時，孔內存在殘留物，并且熱影響區內孔隙結構清晰可見，而采用納秒激光加工時，孔內壁無殘留物，并且未觀察到熱影響區（圖6（a-2）、（b-2）），與掃描電鏡的觀察結果相符。

圖6 兩種 激 光 加 工試樣 孔 CT 形 貌 （ a） HM 樣 品 ；（b）NM 樣品；（1）平行于孔中心線；（2）垂直于孔中心線方向Fig.6 CT images of the holes processed by two kinds of laser （a） sample HM; （b） sample NM; （1） parallel to the axis of the hole; （d） perpendicular to the axis of the hole

3 結論

（1）采用毫秒激光與納秒激光在SiC/SiC復合材料上進行冷卻孔加工，納秒激光加工時長是毫秒激光的8.7倍，并且毫秒激光加工的孔錐度更小。

（2）毫秒激光加工的孔內壁存在較多的殘留物，而納秒激光加工的孔內壁相對比較光滑。

（3）毫秒激光加工樣品出口端及入口端表面均存在殘留物，并且出口端殘留物量明顯較少；而納秒激光加工樣品入口端表面出現部分變色現象，但未發現殘留物，且出口端表面無殘留物與變色現象。

（4）EDX分析結果表明，激光加工過程能夠引起材料的氧化，生成氧化硅、氧化硼等物質。

（5）毫秒激光加工的孔存在明顯的重熔-氧化區與熱影響區，其中重熔-氧化區結構較為致密，熱影響區疏松多孔，并且重熔-氧化區內部存在熱膨脹系數不匹配引起的裂紋；納秒激光加工的孔無明顯重熔-氧化層與熱影響區。

（6）由于激光加工SiC/SiC復合材料過程中存在明顯的氧化現象，并且氧化產物的形成容易在冷卻孔內部聚集，因此采用惰性氣氛保護可能有助于提高激光加工質量。