第50卷第12期表面技术
2021年12月SURFACE TECHNOLOGY·17·
陶瓷基复合材料加工技术及其表面亚表面
损伤机制研究进展
王晓博，李璐璐，赵波，宋超胜
（河南理工大学 机械与动力工程学院，河南 焦作 454003）
摘要：综述了陶瓷基复合材料的传统机械加工、超声辅助加工、激光加工、多能场复合加工等加工方式的研究进展，并简述了几种加工方式的优缺点。对陶瓷基复合材料的表面及亚表面损伤机制进行了总结和分析，包括材料表面亚表面损伤形式、材料表面亚表面理论及模型研究。提出了传统的陶瓷基复合材料加工技术需要进一步优化刀具材料、开发新的刀具结构、优化工艺参数等，以减少加工缺陷。研究了复合加工中材料去除率最大条件下的损伤容限条件、材料加工后的性能保持性等，同时探究了高效高质量的多能场复合加工新方法及其应用理论，以及研究探索了在复杂载荷及动载荷（如动态切削力、高温切削及超声动态冲击载荷）耦合作用下陶瓷基复合材料的内在损伤机理及演化问题。
ELECT关键词：陶瓷基复合材料；机械加工；超声加工；激光加工；多能场复合加工；表面亚表面
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中图分类号：TH145 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2021)12-0017-18
DOI：10.16490/jki.issn.1001-3660.2021.12.002
Rearch Progress on Processing Technology and Surface and Subsurface Damage Mechanism of Ceramic Matrix Composites
WANG Xiao-bo, LI Lu-lu, ZHAO Bo, SONG Chao-sheng
(School of Mechanical and Power Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, China)
ABSTRACT: Ceramic matrix composite is a new type of thermal structure material, which is widely ud in industry, aerospace and other fields. In this paper, the rearch progress of traditional machining, ultrasonic assisted machining, lar machining and multi-energy field composite machining of ceramic matrix composites is reviewed, and the advantages and disadvantages of veral machining methods are briefly described. In this paper, the mechanism of surface and subsurface damage of ceramic matrix composites is summarized and analyzed, including the forms of surface and subsurface damage, the theory and model of surface and subsurface damage. In ord
er to reduce machining defects, the traditional machining technology of ceramic matrix composites requires further optimization of tool materials, development of new tool structures and optimization of process parameters. It is necessary to further study the damage tolerance conditions under the condition of the maximum material removal rate and the property retention of the material after processing. Meanwhile, it is necessary to explore the new efficient
收稿日期：2021-10-08；修订日期：2021-11-22
Received：2021-10-08；Revid：2021-11-22
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基金项目：国家自然科学基金（52005164，51875179）
Fund：National Natural Science Foundation of China (52005164, 51875179)
作者简介：王晓博（1985—），女，博士，讲师，主要研究方向为精密超精密加工、复合材料加工、超声加工。
Biography：WANG Xiao-bo (1985—), Female, Doctor, Lecturer, Rearch focus: precision ultra-precision processing, composite material machining, ultrasonic processing
引文格式：王晓博, 李璐璐, 赵波, 等. 陶瓷基复合材料加工技术及其表面亚表面损伤机制研究进展[J]. 表面技术, 2021, 50(12): 17-34. WANG Xiao-bo, LI Lu-lu, ZHAO Bo, et al. Rearch progress on processing technology and surface and subsurface damage mechanism of
·18·表面技术 2021年12月
and high-quality multi-energy field composite processing method and its application theory. The damage mechanism and evolution of ceramic matrix composites under complex loading and dynamic loading such as dynamic cutting force, high temperature cutting and ultrasonic dynamic impact load are also explored.
KEY WORDS: ceramic matrix composites; mechanical processing; ultrasonic machining; lar processing; multi-energy field composite machining; surface and subsurface
碳纤维增强陶瓷基复合材料是近年来迅速发展的一种新型低密度热结构材料，主要包括碳纤维增强碳化硅、碳化硅纤维增强碳化硅和氧化物增强碳化硅3种。纤维增强复合材料是将耐高温的碳或碳化硅纤维按一定结构进行织构后，植入碳化硅陶瓷基体中，形成一种高性能复合材料。它综合了碳、碳化硅纤维优越的力学性能和碳化硅基体良好的化学和热稳定性，具有耐高温、低密度、高比强度、高比模量、低热膨胀系数、不易磨损、耐化学腐蚀等优点。同时，由于存在纤维的增韧作用，极大提高了
陶瓷基材料的断裂韧性，因而在燃气轮机透平、发动机燃烧室、飞行器热防护系统、高档汽车刹车系统、核能等领域具有广泛的应用前景[1]。
陶瓷基复合材料是制备航空航天发动机、燃气轮机等热端部件不可或缺的关键材料，美国著名发动机材料学家Gregory S. Corman和Krishan L. Luthra称之为“用陶瓷基复合材料替代高温合金是发动机高温材料领域的一场革命”[2]。陶瓷基多数采用近净成形方法制备，从20世纪70年代中期至今，相关材料的制备技术和性能研究一直是材料制造领域研究的热点。
在材料制备方面，日本主要开展前驱体渗透裂解（PIP）工艺制备纤维增强SiC复合材料的研究，特别是在SiC f/SiC材料制备上具有较高的研究水平，已拥有聚碳硅烷（PCS）和连续SiC纤维制备技术；法国以化学气相浸渍（CVI）技术为主，且技术水平居国际领先；德国以反应熔体沉积（RMI）和前驱体渗透裂解（PIP）技术为主，特别是反应熔体沉积（RMI）技术世界领先；美国对PIP、CVI和RMI工艺均有深入研究，且具有较高的研究水平。2016年前碳化硅陶瓷基复合材料已在发动机上涡轮外环、发动机燃烧室、导向叶片等方面应用，并建立起了应用的相对标准及规范[2]。国内在连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料研究方面，总体上起步较晚，尽管目前国防科大、中航复材研究中心、西北工大、上海硅酸盐所以及厦门大学等相关单位，在航空发动机用连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料和构件制备技术方面，形成了较为完备的CVI和PIP工程化制造技术体系，取得了显著进步，但在质量稳定性和工业化能力方面，与日美德法等发达国家相比还有很大差距，特别在空天发动机领域的工程
化应用仍然较少[2-3]。
究其主要原因，除材料本身的制备及性能研究滞后外，该类材料的制造技术研究落后，特别是机械加工后存在的表面亚表面缺陷对材料原有性能的影响，使零部件加工后的性能满足不了高质量及使役可靠性等要求也是重要原因。因此，陶瓷基复合材料的高性能、高可靠性制造技术研究不仅在材料制备领域，且在材料机械加工领域，特别是航空航天发动机燃气轮机等高技术领域仍是研究的重点和热点。
由于该类材料硬度高，为多相结构，具有各向异性，加工中表面容易形成较多的缺陷，属于典型的难加工材料。目前，关于陶瓷基复合材料，加工技术的研究主要集中在传统机械加工、特种加工以及近些年来发展起来的复合加工技术三方面[3]。机械加工研究主要集中在车削、铣削、磨削和钻削等方式，特种加工诸如高速加工、水射流加工、激光加工、电火花加工、超声加工等，复合加工诸如水射流与激光加工复合、电火花与超声复合、螺旋铣削/磨削与超声复合、线切割与超声加工复合、超声与ELID（电解在线修整砂轮）复合加工等。研究者通过对上述加工方式的研究，获得了大量有意义的研究结果和相关的理论技术，提高了其加工效率和加工精度。
本文综述了陶瓷基复合材料的传统机械加工、超声加工、激光加工以及多能场复合加工等加工方式的研究进展，并比较和分析了几种加工方式的优缺点。对陶瓷基复合材料的表面亚表面损伤机制进行了总结和分析，包括材料表面亚表面损伤形式、材料的表面亚表面理论及模型研究。
1 陶瓷基复合材料传统加工技术研
究进展
1.1 传统机械加工工艺灰指甲属于什么科
陶瓷基复合材料传统机械加工主要包括磨削、铣削、钻削、车削。目前传统机械加工研究主要集中在刀具材料的选择、工艺方法的优化、工艺参数的选择3个方面。
在陶瓷基复合材料加工过程中，被加工材料的质量会受到作用力的影响而发生较大变化，因此选择合适材料的刀具至关重要。如果在材料加工环节，使用结构硬度相对较高的刀具，在保证工艺参数合理正确的情况下，能有效防止加工时温度过高给刀具带来的磨损等缺陷，延长刀具使用寿命。为此国内外学者做出大量研究，如日本学者Tawakoli等[4]率先对C/C- SiC进行了铣削试验研究，发现试验过程中硬质合金
第50卷第12期王晓博等：陶瓷基复合材料加工技术及其表面亚表面损伤机制研究进展·19·
K10立铣刀磨损严重，不宜使用，而采用金刚石砂轮磨削，砂轮磨损量较小。通过在砂轮圆周开槽，改变工件与砂轮瞬间接触状态，有效减少了摩擦、比磨削能量和磨削力，使得表面质量提高了30%~40%。大连理工大学的毕铭智[5]研究了制孔和铣削陶瓷基复合材料过程中刀具的选择，研究得approve
出，电镀金刚石是铣削C/SiC复合材料的理想加工刀具。PCD钻头相较于高速钢钻头和硬质合金钻头钻削C/SiC复合材料得到的孔质量，加工精度最好。张国栋[6]利用钎焊金刚石钻头与电镀金刚石钻头对C/SiC复合材料进行了钻削试验，结果表明，钎焊金刚石钻头钻削产生的孔质量更好，且纤维角度、进给量对轴向力和法向力均有影响。西北工业大学超高温结构复合材料重点实验室利用自主研发的金刚石刀具对CMC-SiC材料进行加工，解决了大量复杂薄壁构件的切割、打孔、打磨、抛光等加工技术难题[7]。
工艺方法的优化层面，韩国的Kyu[8]首次采用螺旋进给钻进方法，克服了传统金属结合金刚石钻头钻进深度的限制。钻削试验表明，螺旋进给方法在高速钻削过程中是有效的，不会造成热损伤。张瑾瑜等[9]对比研究了C/SiC复合材料螺旋铣削与钻削制孔的制孔效果，在同等加工效率条件下，测量了两种制孔方法产生的切削力及切削热，并观察两者的制孔质量。试验结果表明，相较于钻削，螺旋铣孔产生的轴向力、孔壁粗糙度及孔径差均较小，而钻孔产生的切削热少于螺旋铣削制孔，但螺旋铣产生的切削热对C/SiC复合材料加工质量及刀具的影响不大。总体来说，对于C/SiC复合材料，螺旋铣孔要比钻削制孔效果更优。徐亮等[10]对超硬金刚石刀具低温铣削C f/SiC 复合材料进行了工艺优化研究，基于低温喷射冷却技术，按照一定的阀体出口压力和喷射角度，将低温液氮或干冰喷射于切削区中，对铣削过程进行低温冷却。研究表明，在干冰、液氮低温介质的冷却作用下，工件的加工表面质量得到了较大提高，主切削力显著降低。
晋江精神研究者对陶瓷基复合材料加工工艺参数的研究主要集中在刀具几何参数、力、进给速率、纤维角度、表面粗糙度等。王平等[11]开展了C f/SiC陶瓷基复合材料-金属连接工艺试验件的试验工作，为满足高性能、轻质化设计要求，选择出能决定C f/SiC陶瓷基复合材料喷管表面质量的最优刀具几何参数，见表1。Liu等[12]研究了不同磨削纤维角度（磨削方向与纤维取向的夹角）下2D-C f/SiC复合材料0°/90°正交结构表面的磨削特性和机理，如图1所示。假设与砂轮/工件接触的0°-纤维和90°-纤维的数量为N片，则每个片的切割点为N个磨粒。在不同的磨削纤维角度下，磨削力和表面粗糙度随纤维角度的变化而变化，顺序为45°>30°>0°，且纤维角度对地面微观结构也有显著影响，如图2所示。王涛等[13]采用传统机械磨削加工对单向C/SiC复合材料平面磨削的磨削力模型
表1 人造金刚石车刀车削C f/SiC陶瓷基复合材料喷管切削参数[11]
Tab.1 Cutting parameters of turning C f/SiC ceramic matrix composite nozzle with artificial diamond tool[11]
Angle name Angle Comparison of synthetic diamond polycrystalline turning tool and cemented carbide turning tool
Rake angle(γ) 12°~
15° Increa the cutting effect of the tool, reduce the cutting heat, and increa the life of the tool
Relief angle(α) 6°~ 8° Ensure brisk cutting, reduce friction heat and cutting heat
洗衣机滤网cutting edge angle(φ) 75°~
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90° Reduce radial force and vibration, improve tool strength, and improve tool heat dissipation conditions
cutting edge inclination(λ) 0°~ 5° Reduce the impact force and protect the tool strength The blade shape Acute angle Ensure the sharpness of the cutting edge
The tip shape Arc blade or wiper blade R=0.2~0.5Improve the strength and durability of the tool tip
图1 纤维在磨削方向的角度和切削力分布[12]
Fig.1 The schematic diagram in the directions of grinding fiber angle and the cut force distribution[12]
·20· 表 面 技 术 2021年12月
图2 2D-C/SiC 亚表面损伤扫描电镜照片[12]
Fig.2 SEM of the ground surfaces after different grinding fiber angles (v w =5000 mm/min and a p =70 µm)[12]
进行了研究，研究得出，磨削时，磨削力与砂轮转速成反比，与磨削深度、进给速度成正比，此外可通过适当提高砂轮的转速来减小磨削力。刘琼等[14]用硬质合金麻花钻对二维编织排布的C/SiC 复合材料进行钻削试验，发现在加工效率允许的情况下，尽可能采用较大的转速和较小的进给速率可以获得好的加工质量的孔。Qu 等[15]研究了单向碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料（C f /SiC ）的磨削性能，磨削示意见图3。研究发现，磨削深度和偏转角度对不同基准面的表面质量有显著影响。为了在不同的加工表面上获得良好的表面质量，应仔细选择合适的磨削深度和偏转角
图3 磨削C/SiC 复合材料的磨削方向及基准面[15]
Fig.3 Schematic diagram of grinding direction and datum plane of C/SiC composites [15]
度。具体地说，随着磨削深度的增加，表面质量下降，磨削力增大。此外，在β=90°（γ=0°）时，磨削表面质量较好；而在α=0°（γ=90°）时，磨削表面质量较差。根据分析结论，可以预测单向C f /SiC 的表面形貌、粗糙度和磨削力。
综合文献来看，陶瓷基复合材料传统机械加工技术效率高，操作简单，成本低，目前已经日趋成熟[3]。目前国内外金刚石刀具（PCD 刀具）是陶瓷基复合材料传统铣削、车削、磨削、钻削加工的优先选择。工艺参数方面存在的问题是刀具磨损严重，加工效率低、质量差，具体表现是加工尺寸一致性差、表面裂纹、破碎、分层、纤维脱粘、纤维拔出、崩边等缺陷，严重影响了加工质量和材料的表面精度。
1.2 激光加工
激光加工是近年来国内外较热的一种新兴加工手段。其原理是使激光束投射到材料表面，通过聚焦获得高能量，使固体材料发生熔化或者蒸发而消除来
进行加工[7,16]。
激光加工主要包括连续激光加工和（皮秒、飞秒类）超短脉冲加工[7]。
在连续激光加工方面，Rodden 等[17]研究了单脉冲和多脉冲激光钻削多层碳纤维复合材料的方法，孔的内部形状是根据相邻层中纤维的方向来解释的，获得了多脉冲通孔的钻削特性，并测量了通孔孔径分布。C/SiC 复合材料在超音速气流中的激光烧蚀行为是对流冷却和机械冲蚀共同作用的结果。
第50卷第12期王晓博等：陶瓷基复合材料加工技术及其表面亚表面损伤机制研究进展·21·
在超短脉冲加工方面，意大利的Romo等[18]建立了超短/短脉冲激光去除C/SiC复合材料的模型，该模型描述了脉冲激光和碳纤维增强复合材料的作用机理。当激光辐照到材料表面，激光光子能量迅速被吸收，并传递转化为热量，随即在被加工区域产生一个峰值温度，使得材料蒸发并排出。
对于陶瓷基复合材料来说，相较于连续激光加工，采用超短脉冲激光加工的材料精度更高，损伤小，加工效果更优（见图4）[7]。Hu等[19]对SiC f/SiC复合材料进行超短脉冲激光加工微小通孔和盲孔的研究发现，超短脉冲激光加工在一定厚度范围内可以高效获得孔的加工精度和壁面质量，但当孔较深时，加工过程仍受热影响严重，精细加工中材料会出现微裂纹。Zhai等[20]利用飞秒激光在陶瓷基表面制备微结构，提高了环境障涂层（EBCs）与碳化硅纤维增强碳化硅（SiC/SiC）的结合强度。刘瑞军等[21]采用长脉冲激光、超短脉冲激光、电火花切割、水射流加工4种工艺对陶瓷基复合材料进行了切割试验，发现超短脉冲激光法对材料的损伤程度最小，且采用飞秒级超短脉冲激光对复合材料制孔，质量状态良好，气膜孔内腔表面粗糙度较优。4种工艺方法切割复材断口的扫描电镜形貌如图5所示。
激光加工现如今已经可以实现众多加工方式，如材料的切割、焊接、钻孔、表面处理等[22]。张文武等[23]对CMC典型加工技术进行了比较，在切边、钻孔、三维成形和微槽成形4种工艺中，激光加工在精密修边、微槽、三维成形方面的能力相较于其他特种加工都较高。激光加工包括进一步发展的超短脉冲激光加工，在一定的深度范围内可以加工出表面质量较好的孔，加工效率高，但在精细加工中需要严格控制最优
图4 连续激光与超短脉冲激光加工效果对比[7]
Fig.4 Comparison of the machining effects between continuous lar and ultrashort pul lar[7]: a) continuous lar; b) ultrashort pul lar
图5 4种工艺方法切割复材断口扫描电镜图[21]
Fig.5 Scanning electron microscope images of composite fracture cut by four methods[21]: a) long pul lar processing; b) ultrashort pul lar processing; c) EDM; d) water jet cutting
