王 超 ，李凱娜 ，陳 虎 ，馬小民

（1.高性能陶瓷纖維國家地方聯(lián)合工程研究中心，蘇州 215000；2.蘇州賽菲集團有限公司，蘇州 215000）

20世紀(jì)70年代初，Aveston在連續(xù)纖維（以下簡稱纖維）增韌聚合物基復(fù)合材料（FRPMCs）和纖維增韌金屬基復(fù)合材料（FRMMCs）研究的基礎(chǔ)上，提出了纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的概念，開辟了高性能陶瓷材料研究的新方向[1]。纖維增強陶瓷基復(fù)合材料（Fiber Reinforced Ceramic Matrix Composites，F(xiàn)RCMCs)是將纖維（如C纖維、SiC纖維等）作為復(fù)合材料的增強體引入到陶瓷基體中制備的一種高性能復(fù)合材料。由于它具有高熔點、低密度、耐腐蝕、抗燒蝕以及抗氧化等一系列優(yōu)點，被列為新一代高溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)材料的發(fā)展重點，在航空、航天、能源等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景[2-4]。隨著陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的制備和加工技術(shù)受到越來越廣泛的重視。

國際上，尤其是日本、歐美等發(fā)達國家對FRCMCs進行了深入研究，在制備技術(shù)及加工技術(shù)等方面成果卓著。在傳統(tǒng)機械加工領(lǐng)域，特別是磨削加工技術(shù)方面，日本和德國處于世界前列；在特種加工技術(shù)領(lǐng)域，日本東京大學(xué)和美國堪薩斯州立大學(xué)在超聲波加工技術(shù)方面作了深入研究，如美國賓夕法尼亞大學(xué)、愛荷華州州立大學(xué)，日本千葉工藝研究所、德國斯圖加特大學(xué)、Fraunhofer生產(chǎn)技術(shù)學(xué)院，俄羅斯科學(xué)院等[5]都對激光加熱輔助工藝進行了研究，而日本[6]、英國、比利時、西班牙[7]對電火花加工結(jié)構(gòu)陶瓷材料的研究報道較多。這些發(fā)達國家無論是在制備技術(shù)方面還是在加工設(shè)備的制造方面都走在世界前列，尤其是機床研發(fā)方面，像德國的Guhring Automation公司、美國Connectient大學(xué)研發(fā)中心、日本三菱重工等研發(fā)的機床制備精良。當(dāng)前，依靠先進的復(fù)合材料制備工藝和精良的加工技術(shù)已成功制備出多種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件并實現(xiàn)應(yīng)用，如美國生產(chǎn)的X-33、X-37、X-38航天試驗機上采用大量的Cf/SiC復(fù)合材料代替原有的金屬材料（見圖1），降低了運載器的重量，同時提高了飛行器的耐沖擊性[8]。洛克公司以SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料開發(fā)出來的耐熱瓦，已有3萬余塊用于美國哥倫比亞號航天飛機上（見圖2）[9]。法國SEP公司建成了世界上第一座具有工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模的SiCf/SiC和Cf/SiC復(fù)合材料制造廠，其陶瓷基復(fù)合材料制造水平世界領(lǐng)先[10]。國內(nèi)對于陶瓷基復(fù)合材料的研究主要集中在纖維、先驅(qū)體等原材料的制備和復(fù)合成型工藝等方面[11]，國防科技大學(xué)在SiC纖維、陶瓷先驅(qū)體以及PIP工藝等方面作出突出貢獻，西北工業(yè)大學(xué)在CVI工藝方面研究成果顯著，中科院上海硅酸鹽研究所對MI工藝進行了卓有成效的研究。

陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝是其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的一個重要方面，同時復(fù)合材料的后序加工技術(shù)也是促進其應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵因素。美國國家航空航天局（NASA）在《21世紀(jì)的航空技術(shù)》報告中曾表示，在其發(fā)動機材料研究規(guī)劃中要優(yōu)先發(fā)展陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝及其加工技術(shù)[12]。2013年，法國Fives公司收購了美國MAG公司（MAG公司在高端、大型和復(fù)雜零件加工方案的制定和復(fù)合材料工藝方面處于世界領(lǐng)先水平[10]），顯示出法國對陶瓷基復(fù)合材料加工工藝的高度重視。

我國在連續(xù)纖維增強陶瓷基復(fù)合材料方面的研究起步較晚，與歐美等發(fā)達國家有很大差距。國內(nèi)對陶瓷基復(fù)合材料還處于應(yīng)用研究階段，在制備工藝，尤其是快速制備技術(shù)方面與國外差距較大。近年來，隨著國家對陶瓷基復(fù)合材料重視程度的不斷提升，國內(nèi)陶瓷基復(fù)合材料研究取得一些進步，但是在增強纖維、復(fù)合材料的連接及其加工技術(shù)等方面還需要進行深入的研究。

圖1 X-37B航天飛行器上的Cf/SiC熱防護層Fig.1 Cf/SiC thermal protection layer in X-37B aerospace craft

圖2 美國航天飛機及其隔熱瓦Fig.2 American space shuttle and its heat shield

纖維增強陶瓷基復(fù)合材料加工工藝

在纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝中，如PIP工藝雖然可以實現(xiàn)近凈成型，但仍需進行二次加工，尤其纖維增強陶瓷基復(fù)合材料用于制造渦輪整體葉盤、渦輪靜子件、發(fā)動機調(diào)節(jié)片等精密構(gòu)件時，二次加工質(zhì)量的高低將嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能和使用壽命。因此，科研工作者對復(fù)合材料的理論研究和二次加工技術(shù)越來越重視，并在材料的加工機理、刀具的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)以及質(zhì)量評價等方面展開研究[13]。陶瓷基復(fù)合材料（Ceramic Matrix Composite，CMC）的加工工藝可分為傳統(tǒng)機械加工和特種加工。下面分別對傳統(tǒng)機械加工工藝和特種加工工藝及其研究進展進行簡單介紹。

1 傳統(tǒng)機械加工工藝研究進展

機械加工即采用金屬材料的加工技術(shù)對陶瓷材料進行加工，主要包括銑削、切削、磨削、鉆削等[14]加工方法。對于傳統(tǒng)機械加工的研究主要是集中在刀具選擇和加工工藝。西安航天發(fā)動機廠的王平等[15]以Cf/SiC陶瓷基復(fù)合材料噴管為例，闡述了纖維增強陶瓷基復(fù)合材料車削加工難點，并提出了解決方案：采用先車削后磨削的機械加工工藝，通過在車削過程中選用不同材質(zhì)的刀具以及采用合適的切削用量的方法，成功完成了對陶瓷基復(fù)合材料噴管連接部位的車削加工。湖北三江航天江北機械工程有限公司的周大華等[16]通過大量的工藝試驗，設(shè)計了合理可行的Cf/SiC纖維增強陶瓷材料型面數(shù)控加工工藝，并從工藝系統(tǒng)控制、刀具選擇、切削參數(shù)計算和走刀路徑優(yōu)化等方面研究了Cf/SiC纖維增強陶瓷材料的型面加工工藝。大連理工大學(xué)的畢銘智[13]以Cf/SiC陶瓷基復(fù)合材料為研究對象，系統(tǒng)研究了制孔和銑削過程中刀具選擇、典型缺陷成因及評價以及加工工藝參數(shù)的設(shè)定，采用不同刀具對Cf/SiC復(fù)合材料進行鉆削和銑削對比試驗，最終確定Cf/SiC復(fù)合材料最佳鉆削制孔和最佳銑削刀具。中航工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)中心焦健等[17]研究了機械加工對SiCf/SiC復(fù)合材料表面形貌的影響，采用磨削工藝對SiCf/SiC復(fù)合材料進行加工后其表面不平整，存在微裂紋。圖3是采用傳統(tǒng)機械加工工藝制備的復(fù)合材料構(gòu)件。

圖3 采用傳統(tǒng)機械加工工藝制備的復(fù)合材料構(gòu)件Fig.3 Composite structures prepared by traditional machining technology

2 特種加工工藝研究進展

為了減少由Cf/SiC、SiCf/SiC等復(fù)合材料后序加工造成的問題，通常將材料制備成特定的形狀和尺寸。但實際應(yīng)用中仍然難以避免二次加工，而傳統(tǒng)機械加工切削力較大，刀具磨損嚴(yán)重，且在加工過程中容易產(chǎn)生毛刺、變形層、表面/亞表面微裂紋等缺陷，導(dǎo)致工件質(zhì)量下降。因此，為解決傳統(tǒng)機械加工方法存在的問題，越來越多的特種加工方法被開發(fā)出來，并成功應(yīng)用于纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的加工領(lǐng)域。所涉及特種工藝技術(shù)有超聲波技術(shù)、激光技術(shù)、高壓水射流技術(shù)和電火花技術(shù)等。

2.1 超聲波技術(shù)

超聲輔助加工是利用超聲波振子引發(fā)有關(guān)工具出現(xiàn)高頻與小振幅直線振動，通過材料表面與高速磨砂粒子撞擊，實現(xiàn)材料微去除。超聲輔助加工技術(shù)作用力小，對工件表面損傷小，加工質(zhì)量較好，但是其加工效率較低，適用于打孔和型腔成型加工等[18-19]。沈陽航空航天大學(xué)的姜慶杰[20]針對Cf/SiC加工困難的問題，提出了超聲扭轉(zhuǎn)振動銑削的加工方法，以傳統(tǒng)銑削加工為參照，在超聲扭轉(zhuǎn)振動銑削刀具運動學(xué)分析基礎(chǔ)上，選取不同工藝參數(shù)進行對比試驗，重點研究了超聲扭轉(zhuǎn)條件下與傳統(tǒng)銑削條件下切削力的變化規(guī)律、加工表面質(zhì)量、表面粗糙度及刀具磨損狀況，對于探索陶瓷基復(fù)合材料的加工具的選擇有重要指導(dǎo)意義。大連理工大學(xué)的馬付建[21]應(yīng)用自行研制的超聲輔助切削裝置對三維編織C/C復(fù)合材料進行了超聲輔助車削與普通車削試驗，結(jié)果表明應(yīng)用超聲輔助車削可以顯著提高材料表面加工質(zhì)量，同時降低切削力、切削溫度和刀具磨損等。

2.2 激光技術(shù)

激光是在外界光子的作用下使高能態(tài)的原子向低能態(tài)躍遷過程中釋放出來的光子，具有方向性、相干性、高能量的特性。激光加工就是利用其高能量的特性，以激光束作為熱源，在陶瓷材料表面局部產(chǎn)生高達上萬攝氏度的瞬時高溫，使材料熔融或汽化[22]。激光加工的優(yōu)點是加工過程中與工件無摩擦、無接觸，無需模具，通過控制激光束的聚焦位置實現(xiàn)材料的加工。激光加工分為一維、二維和三維加工[23]。一維加工主要是指激光打孔，圖4為激光打孔的樣件。二維加工主要用于激光切割，三維加工需要兩束或多束激光束同步作業(yè)完成，主要用于激光車削和銑削，用于復(fù)雜外形的零件的加工。陳錫讓等[24]采用激光脈沖模式進行陶瓷小孔加工研究，得出了脈沖寬度、脈沖重復(fù)率對加工質(zhì)量的影響；中科院寧波材料所[25]針對陶瓷基復(fù)合材料短脈沖激光加工技術(shù)方面做了大量工作，取得新進展——實現(xiàn)了3mm厚CMC材料的復(fù)雜形狀精密低損傷加工，處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。

近幾年在對激光加工技術(shù)不斷研究改進的基礎(chǔ)上，又相繼出現(xiàn)了納秒脈沖激光、液核光纖激光加工、水助激光加工等[26]再創(chuàng)新技術(shù)，推進了激光加工技術(shù)的發(fā)展。

2.3 高壓水射流技術(shù)

高壓水射流加工是在較高的工作壓力下，在高速流動的水流中加入一定數(shù)量的磨料顆粒后而形成的一種液固兩相高速射流，能切割金屬及非金屬材料[27]。張運祺[28]對高壓水射流切割復(fù)合材料的工作原理以及切割裝置做了系統(tǒng)介紹，該法是冷態(tài)切割，對材料無熱影響，加工精度較高。上海獅邁科技有限公司生產(chǎn)的高壓水射流設(shè)備——智能水刀系統(tǒng)處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。其智能水刀系統(tǒng)利用高壓水射流原理，結(jié)合智能軟件及精密多軸運動系統(tǒng)，大大提高了切割效率和切割精度（圖5）。

圖4 激光打孔的樣件Fig.4 Sample made by laser drilling

圖5 上海獅邁智能水刀系統(tǒng)Fig.5 Intelligent water jet system of Shanghai Lionstek CO., LTD.

2.4 電火花技術(shù)

電火花加工（Electro-Discharge Machining, EDM)是利用工具電極和工件電極間脈沖放電產(chǎn)生的電蝕現(xiàn)象實現(xiàn)對材料的加工[29]。其優(yōu)點是在加工過程中，工件和工具間無直接接觸，無機械力，不存在刀具磨損問題。根據(jù)所加工陶瓷材料的導(dǎo)電性的差異，可選擇不同的電火花加工方式：對于導(dǎo)電陶瓷材料，傳統(tǒng)電火花加工技術(shù)就可以實現(xiàn)加工；對于非導(dǎo)電性陶瓷材料，不能直接作為電極，一般采用電解液法和高電壓法。紀(jì)仁杰等[30]對非導(dǎo)電陶瓷材料的電火花加工進行了研究，提出一種基于輔助電極的電火花電弧復(fù)合加工方法，并對該方法的原理和特點進行了深入研究。

纖維增強陶瓷基復(fù)合材料加工技術(shù)存在的問題及發(fā)展趨勢

由于纖維增強陶瓷基復(fù)合材料具有強度大、硬度高、耐磨性好等特點，為其后續(xù)加工帶來很大的難度。采用傳統(tǒng)機械加工工藝加工纖維增強陶瓷基復(fù)合材料主要存在以下兩個問題：

（1）加工難度大，加工質(zhì)量差。對于CFRCMCs材料，由于增強纖維和陶瓷基體的強度和模量存在一定差異，加工過程中易出現(xiàn)纖維拔出、基體脫落等現(xiàn)象，導(dǎo)致材料表面出現(xiàn)微裂紋等缺陷。

（2）加工效率低，刀具磨損嚴(yán)重。陶瓷基復(fù)合材料的基體一般分為氧化物和非氧化物兩大類，硬度都比較高，如碳化硅莫氏硬度為9.2，而加工所采用的金剛石刀具材質(zhì)莫氏硬度為10，二者相差并不大，導(dǎo)致在加工刀具磨損嚴(yán)重，生產(chǎn)效率大大降低。

綜上，雖然機械加工工藝比較簡單，但是對于形狀復(fù)雜的、尺寸精度要求高的工程陶瓷部件往往難以奏效[22]。陶瓷基復(fù)合材料各種加工工藝特點如表1所示。

表1 陶瓷基復(fù)合材料不同加工工藝優(yōu)缺點比較

為滿足不同工件的加工要求，可以考慮將傳統(tǒng)加工工藝和特種加工工藝結(jié)合使用，或者將不同的特種加工工藝結(jié)合使用，采用多種能量形式，形成新型復(fù)合加工技術(shù)，這樣不僅可以揚長避短，并且不同的加工工藝之間相得益彰[31]。例如，對發(fā)動機調(diào)節(jié)片的二次加工處理，粗加工時，可以采用以金剛石刀具為主的機械加工，進行鉆孔等精加工時，可采用激光技術(shù)處理，使得各種工藝的優(yōu)點得到發(fā)揮，缺點得以彌補；再如激光加熱輔助切削，是采用激光束作為高能熱源加熱切削，不僅升溫迅速，而且還可以有效降低切削力，減少刀具磨損，提高加工質(zhì)量和效率；電火花、超聲和機械加工結(jié)合的復(fù)合加工工藝，既可提高生產(chǎn)效率，又可保證工件的表面質(zhì)量[32]。

結(jié)束語

陶瓷基復(fù)合材料的精密加工是實現(xiàn)其工程化應(yīng)用的關(guān)鍵步驟，尤其在當(dāng)前世界各國普遍對陶瓷基復(fù)合材料前景看好的情況下，廣泛開展陶瓷基復(fù)合材料加工技術(shù)的研究勢在必行。特種加工工藝，如超聲輔助加工、激光加工、智能水刀、電火花加工等需要進行一系列技術(shù)革新以滿足對陶瓷基復(fù)合材料的加工。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，相信纖維增強陶瓷基復(fù)合材料將會應(yīng)用在更多的領(lǐng)域。

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