基于陶瓷基复合材料飞秒激光制孔工艺研究

■ 赵晨曦，桓恒，李伟剑，刘瑞军

航空、航天发动机的推重比与其热端部件的工作温度密切相关。下一代航空发动机的推重比＞12，要求提高热端部件的工作温度到接近2000K。碳化硅陶瓷基复合材料具有低密度、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，因而在航空航天领域具有广泛应用前景。但CMC-SiC复合材料是一种难加工材料，其硬度为2840~3320HV，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、高质量的加工手段迫在眉睫。

飞秒激光的加工原理是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，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。其加工单脉冲时间短，热量还没有扩散到基体就已经完成了加工，由此实现飞秒激光的“冷加工”。同时，飞秒激光加工是一个非线性、非平衡过程，具有阈值效应明显、极小化热影响区、极小化重铸层、可控性高等特点，可以有效避免在加工过程中出现的再铸层、微裂纹等微观组织缺陷，具备在CMC-SiC复合材料上的微孔加工能力。

1. 飞秒激光制孔工艺

（1）研究对象 本试验以陶瓷基CMC-SiC复合材料作为研究对象，通过采用飞秒激光加工技术对陶瓷基复材板上分布的微孔进行研究试验，以提高微孔的加工质量，达到微孔表面无重熔层、微裂纹等缺陷的要求。

试片规格：30mm×20mm×4mm。试片预处理：将试片置于超声波清洗机中清洗10~15min后，使用气枪吹干。其中，清洗液为酒精和水的混合液，比例为1:10。

（2）工艺试验研究 整个工艺开发及加工过程在千级超净室内进行。通过高功率制孔、低功率修孔两道工步实现CMCSiC复合材料微孔成形加工。为了加工出ϕ1.7mm的孔径，首先采用高功率制孔，其加工目的为实现复合材料的一次打穿，形成正反面孔的直径比在1:0.7~1:0.8之间；再次采用低功率修孔，实现微孔正反面孔的直径比达到1:0.95以上，随即精修孔，完成孔壁的光整。具体的试验设置参数如表1、表2所示。

（3）工艺分析 飞秒激光采用旋转加工方法，其扫描方式可以分为环形扫描和螺旋线扫描两种路径，如图1所示。两种加工方式都会伴随着激光器Z轴方向的运动，使焦点位置不断沿着孔深度方向向下移动。

螺旋线扫描的方式是一种面扫描的方式，激光加工曲线形成由内到外再到内的螺旋线循环方式，在电动机的高速带动下，实现单个平面的扫描，伴随着激光与工件的相对运动，可以在工件上实现深孔的加工。

环形扫描方式是一种线扫描的方式，在电动机的带动下，在一个平面内形成外轮廓圆形的扫描轨迹，伴随着激光与工件的相对运动，可以在工件上实现内壁光整的效果。

本工艺采用两种扫描方式结合的加工方式，制孔及精修部分采用螺旋线扫描的加工方式，精修孔采用环形扫描的加工方式。制孔工艺目的为实现微孔的打穿，使激光加工的残渣能够向下流通，减弱在激光和工件之间形成的等离子体云，使加工的效果更好。修孔工艺的目的为提高孔的锥度及孔型的修整。精修孔的目的为实现孔壁的光整，降低内壁的粗糙度。

2. 加工质量分析与检测

按照表2所提供的工艺参数，采用飞秒激光两步加工法在C M C-S i C复合材料上完成f1.7mm的小孔加工，可获得正反面圆度及锥度均良好的通孔。

具体分析如下：

（1）超景深显微镜分析 采用Olympus超景深显微镜对加工后的试样拍摄观察。分别选取了一次制孔后和最终加工后的正反面孔进行分析。

图2为一次加工后的微孔正反面形貌。图2a中正面孔形圆度较好，在孔的边缘呈现一定的“锯齿形”，而图2b中反面则呈现出完全的锯齿形，处于一种未完全加工的状态。

图1 飞秒激光加工的光束扫描方式

图2 一次加工孔的正反面形貌

表1 飞秒激光加工参数

表2 参数设置

图3为最终加工后的微孔正反面形貌。图3中正反面的圆度均加工至理想状态，正面孔径为1753.794μm，反面孔径为1740.879μm。其差值仅为13μm，锥度值（反面孔径/正面孔径）为99.26%，已经形成了理论上的“圆柱孔。”

（2）S E M扫描电镜分析 采用Ultra Plus型场发射分析扫描电子显微镜，对试样金相做扫描，将加工后的微孔置于扫描电镜下进行观察，其孔的整体状态如图4所示。孔的边缘清晰，未出现再铸层和微裂纹，孔的内壁光滑，无分层现象。

（3）无损检测 本文采用的无损检测方法为连续扫查的方式进行微焦点CT检测，其优势在于无需破坏微孔就可以实现内壁的整体检测。而CMC-SiC复合材料本身就是一种难加工材料，使用传统的砂纸打磨的手段很难实现金相试样的制备，而使用机加手段又会破坏基体，工业CT能够满足检测条件。

如图5为飞秒激光加工孔的CT扫描检测照片，用于观测孔壁情况。图中使用黄线圈出的部分为材料本身受制造水平存在的分层缺陷。根据图片可以看出，飞秒激光加工后的孔壁为垂直状态，验证了加工后的孔形呈现为圆柱形。孔壁光滑，无再铸层、微裂纹缺陷，同时孔壁附近未显示出圈出的黑色斑点，即飞秒激光加工后不会导致分层缺陷。

3. 结语

（1）在合适的工艺参数下，采用飞秒激光可实现CMCSiC复合材料的小孔加工，并已验证其工艺可行性。

图3 最终加工孔的正反面形貌

图4 微孔扫描电镜微观形貌

图5 CT检测纵向微观形貌

（2）通过超景深显微镜、扫描电镜及无损检测等手段对加工后的ϕ1.7mm小孔进行检测，证明飞秒激光加工CMC-SiC复合材料小孔的圆度、锥度可以达到99%以上，同时表面不存在微裂纹及再铸层等缺陷，孔深方向无分层出现。

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