張孟華, 龐梓玄, 賈云祥, 李昀曹益, 單晨偉*

（1．西北工業(yè)大學(xué) 航空發(fā)動機高性能制造工業(yè)和信息化部重點實驗室， 西安 710072；2．西北工業(yè)大學(xué) 航空發(fā)動機先進制造技術(shù)教育部工程研究中心， 西安 710072）

纖維增強陶瓷基復(fù)合材料（fiber reinforced ceramic matrix composites，F(xiàn)RCMCs）是由高強度纖維和陶瓷基體組成的陶瓷基復(fù)合材料（CMCs）。以碳纖維或碳化硅纖維作為增強體，以碳基、碳化硅基或碳與碳化硅雙基體組成的纖維增強陶瓷基復(fù)合材料，即碳/碳（C/C）、碳/碳化硅（C/SiC）、碳化硅/碳化硅（SiC/SiC）、碳/碳-碳化硅（C/C-SiC），在航空航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。它們都具有高比模量、高比強度、低熱膨脹系數(shù)、耐高溫、耐腐蝕和耐磨損等許多優(yōu)良的力學(xué)性能[4-6]。這些優(yōu)良的特性使其成為鈦合金、高溫合金等傳統(tǒng)金屬的潛在替代材料[7-8]。其中碳化硅陶瓷基復(fù)合材料是目前已知可在1200 ℃以上安全工作的耐高溫材料，美國的GE公司已經(jīng)開展該類材料在航空發(fā)動機上的實驗和應(yīng)用研究，2016年投入使用的LEAP-1發(fā)動機的渦輪外環(huán)即由陶瓷基復(fù)合材料制造。

FRCMCs常應(yīng)用在循環(huán)載荷和熱負荷等惡劣環(huán)境中，但FRCMCs的加工表面完整性對其疲勞性能的影響尚不清楚。表面完整性是衡量材料去除過程對加工表面影響的重要指標。由于FRCMCs的各向異性和非均質(zhì)性，材料的去除機理和表面完整性與傳統(tǒng)材料不同。加工FRCMCs時，會產(chǎn)生刀具磨損、纖維拔出、纖維斷裂和分層現(xiàn)象，嚴重影響著FRCMCs的發(fā)展應(yīng)用。因此，許多學(xué)者都致力于研究FRCMCs的加工機理，并在FRCMCs的缺陷形成機理、微觀去除機理和表征與評價表面質(zhì)量方面取得了一定的成果，并不斷提出新的加工方法，推動了FRCMCs的發(fā)展。然而，進一步研究FRCMCs的高效精密加工技術(shù)勢在必行，如何解決FRCMCs的加工問題成為各國學(xué)者關(guān)注的熱點之一。

目前，F(xiàn)RCMCs的加工方法可以分為傳統(tǒng)加工方法和非傳統(tǒng)加工方法。傳統(tǒng)加工方法主要是利用切削、銑削、鉆削和磨削等方式去除材料。非傳統(tǒng)加工方法主要為激光加工、放電加工、高壓水射流加工和超聲輔助加工等。

本文總結(jié)FRCMCs中C/C、C/SiC、SiC/SiC和C/C-SiC的傳統(tǒng)加工方法和非傳統(tǒng)加工方法的研究現(xiàn)狀，討論不同加工方法的加工機理和材料去除機理，并對各種加工工藝方法的發(fā)展趨勢、優(yōu)缺點、適用范圍、存在問題及相應(yīng)解決方法進行分析。

1 傳統(tǒng)加工方法

1.1 切削

正交切削是研究傳統(tǒng)加工中車、銑和鉆削材料去除機理的一種常用方法。因為C/C復(fù)合材料在本文綜述的4類材料中最容易切削，所以可以采用傳統(tǒng)的切削方式進行研究。以SiC為主要基體成分的陶瓷基復(fù)合材料硬度高，主要采用單顆磨粒劃擦的方式研究其切削機理。單顆磨粒劃擦屬于微切削的一種，常用于研究磨削的基本原理。

在C/C復(fù)合材料去除機理研究方面，Diaz等[9]研究了沿著縱向、橫向和徑向三個不同纖維方向切削雙向C/C復(fù)合材料時的材料切削斷裂機理。圖1為高速攝像機記錄的沿著不同纖維方向切削時的瞬時狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，對于大的切削厚度（圖1（d），（f），（h）），裂紋會在纖維和基體界面上形成，從而形成表面/亞表面損傷，切削斷裂機理主要受界面強度影響。小的和中等切削厚度（圖1（b）和（c）），縱向纖維的切削斷裂機理主要受材料的雙線性剪切特征影響（圖1（a））。對于小的切削厚度（圖1（e）和（g）），橫向和徑向纖維切削斷裂機理主要受材料的斷裂韌性各向異性影響。

圖 1 C/C復(fù)合材料不同纖維方向材料去除過程[9] （a）雙線性剪切特征；（b）縱向小切削厚度；（c）縱向中等切削厚度；（d）縱向大切削厚度；（e）橫向小切削厚度；（f）橫向大切削厚度；（g）徑向小切削厚度；（h）徑向大切削厚度Fig. 1 Material removal process in different fiber directions of C/C composite[9] （a）bilinear shear behavior；（b）longitudinal small cutting thickness；（c）longitudinal medium cutting thickness；（d）longitudinal large cutting thickness；（e）transverse small cutting thickness；（f）transverse large cutting thickness；（g）radial small cutting thickness；（h）radial large cutting thickness

在C/C復(fù)合材料切削力建模研究方面，Shan等[10]在考慮纖維和孔隙隨機分布的基礎(chǔ)上，基于能量法建立了單向C/C復(fù)合材料纖維橫向正交切削力時域模型，切削力預(yù)測值和實驗值具有較高的一致性。首先，在考慮纖維方向角的基礎(chǔ)上，基于切屑成形機理建立微觀等效體積單元（MRVE）切削力模型。然后，在考慮纖維和孔隙隨機分布基礎(chǔ)上建立能代表材料力學(xué)性能的等效體積單元（RVE）。最后，通過積分MRVE所有切削力得到切削力時域模型。所模擬的MRVE和RVE如圖2所示。

在C/SiC復(fù)合材料去除機理研究方面，Li等[11]沿著縱向和徑向兩個方向劃擦單向C/SiC復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)縱向纖維切削力大于徑向，纖維方向?qū)ζ浔砻嫱暾跃哂兄匾绊?。Chen等[12]沿著縱向、橫向和徑向三個不同的纖維方向劃擦單向C/SiC復(fù)合材料，如圖3所示，研究發(fā)現(xiàn)脆性去除區(qū)域可分為微觀脆性斷裂區(qū)域和宏觀脆性斷裂區(qū)域。在微觀脆性斷裂區(qū)域，裂紋在纖維的石墨微晶層片間傳播，在宏觀脆性斷裂區(qū)域，纖維發(fā)生剝離和彎曲變形，在纖維內(nèi)部幾乎沒有裂紋。不同纖維方向的宏-微觀脆性斷裂機理不同。

圖 2 切削過程RVE和MRVE[10] （a）RVE；（b）MRVE Fig. 2 RVE and MRVE during cutting[10] （a）RVE；（b）MRVE

圖 3 微-宏觀脆性斷裂轉(zhuǎn)變[12] （a）橫向纖維；（b）徑向纖維；（c）縱向纖維Fig. 3 Micro-macro brittle fracture transition[12] （a）transverse fiber；（b）radial fiber；（c）longitudinal fiber

由此可見，采用正交切削和單顆磨粒劃擦來研究FRCMCs的斷裂機理是比較常用的研究方法。從上述研究文獻可以看出，F(xiàn)RCMCs的切削斷裂機理主要受纖維方向和切削參數(shù)（切削深度）的影響，不同纖維方向和切削參數(shù)下去除機理不同，所形成的加工表面完整性也不同，這是由于FRCMCs的非均質(zhì)性和各向異性引起的。因此，在切削加工中選擇合適的加工參數(shù)和切削方向?qū)庸そY(jié)果具有重要影響。目前通過切削研究FRCMCs加工機理基本還處于實驗階段，其理論性分析仍需深入研究。

1.2 銑削

刀具類型、加工參數(shù)和纖維方向均會影響FRCMCs的銑削力和表面完整性。在切削刀具對材料的表面形成機理研究方面，Tashiro等[13]研究了不同類型刀具銑削C/C-SiC復(fù)合材料的磨損情況，與硬質(zhì)合金刀和類金剛石薄膜涂層（DLC）刀具相比，聚晶金剛石（PCD）刀具磨損量較小，適合加工纖維增強陶瓷基復(fù)合材料。畢銘智[14]在槽銑C/SiC復(fù)合材料時發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)合金刀具容易出現(xiàn)毛刺和崩邊，而PCD刀具產(chǎn)生的缺陷較小。何濤等[15]研究了PCD刀銑削C/SiC復(fù)合材料時的材料表面形成機理和表面完整性。發(fā)現(xiàn)材料以脆性去除為主，表面/亞表面的損傷形式為纖維層狀斷裂、纖維拔出和纖維束斷裂，提高切削速度有助于提高表面質(zhì)量，增大切削深度會惡化表面質(zhì)量。

在銑削力建模研究方面，Shan等[16]在考慮纖維方向的基礎(chǔ)上建立了一種2.5D-C/C復(fù)合材料銑削力模型，切削力系數(shù)通過多元線性回歸方程獲得，切削力預(yù)測值和實驗值的最大誤差約為10%。YUAN等[17]通過對比塑性銑削力模型和脆性銑削力模型確定了C/SiC復(fù)合材料的脆塑性轉(zhuǎn)變臨界切削深度為3.91～4.18 μm。如圖4所示，當最大切削深度大于臨界切削深度時，由于發(fā)生脆性去除表面粗糙度突然增大，纖維發(fā)生大面積的斷裂。當最大切削深度小于臨界切削深度時，纖維多為連續(xù)去除。

圖 4 不同去除方式表面形貌[17] （a）塑性去除；（b）脆性去除Fig. 4 Surface topographies formed by different material removal modes[17] （a）ductile removal；（b）brittle removal

由此可見，刀具的類型、加工參數(shù)和纖維方向均會影響FRCMCs的銑削力和表面完整性。與硬質(zhì)合金刀具相比，PCD刀具在銑削FRCMCs展現(xiàn)出了良好的加工性能，刀具的磨損和加工缺陷較少。實際上，可以通過大量實驗（如選擇合適的刀具幾何參數(shù)和采用超聲輔助銑削）來優(yōu)化FRCMCs的銑削工藝，但如何通過合理的選擇刀具、加工參數(shù)、刀具路徑和加工方式實現(xiàn)FRCMCs的高效精密銑削仍需要進行深入研究。

1.3 鉆削

硬度高和脆性大的特點導(dǎo)致FRCMCs在鉆削時軸向力較大，容易出現(xiàn)毛刺，分層、崩邊和撕裂等現(xiàn)象。在鉆孔損傷研究方面，張國棟[18]研究電鍍磨頭和釬焊磨頭對C/C-SiC復(fù)合材料鉆削性能的影響，發(fā)現(xiàn)釬焊磨頭鉆削力低于電鍍磨頭，進給率對鉆削力具有重要影響。Xing等[19]使用釬焊磨頭在鉆削單向C/C-SiC復(fù)合材料時發(fā)現(xiàn)入口、出口和孔壁的分層與切削方向和纖維方向之間的夾角有關(guān)，當夾角在90°～180°時有助于減小分層，0°～90°時會增加分層。出口的分層由崩邊、毛刺和撕裂引起。Diaz等[20]研究金剛石涂層標準麻花鉆對SiC/SiC復(fù)合材料鉆削性能的影響。通過拉曼光譜表征材料中SiC和Si的斷裂和變形特征，分析鉆削去除機理對表面完整性的影響。研究發(fā)現(xiàn)Hi-Nicalon SiC纖維、化學(xué)氣相滲透（CVI）SiC涂層和SiC顆粒呈現(xiàn)不同的斷裂和變形特征。鉆削導(dǎo)致的進出口的質(zhì)量嚴重影響著結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，目前可以通過4種方式降低分層現(xiàn)象。（1）通過增加支撐板減小工件的彎曲提高出口處外層材料的剛度，減小出口附近纖維層的位移退讓[19，21]，如圖5所示。（2）采用旋轉(zhuǎn)超聲輔助鉆削降低軸向力進而降低分層現(xiàn)象[22-23]。（3）優(yōu)化選擇合理的刀具幾何形狀來降低軸向力，例如圖6所示采用分段錐刀具[24]。（4）通過選擇合理的切削參數(shù)來降低軸向力，例如選擇較高的轉(zhuǎn)速和較低進給率[25]。

圖 5 鉆削過程示意圖[21] （a）無支撐板；（b）有支撐板Fig. 5 Schematic diagram of drilling process[21] （a）without supported plate；（b）with supported plate

圖 6 分段錐旋轉(zhuǎn)超聲鉆削[24]Fig. 6 Rotary ultrasonic machining using compound steptaper drill[24]

在鉆削力建模研究方面，Diaz等[26]采用金剛石涂層標準麻花鉆研究SiC/SiC復(fù)合材料強非均質(zhì)性對小孔加工性能的影響，并基于材料高硬度和非均質(zhì)特性建立了SiC/SiC復(fù)合材料概率-機械鉆削力模型，分析SiC/SiC復(fù)合材料刀具斷裂特征。實驗發(fā)現(xiàn)使用直徑0.8 mm的麻花鉆加工SiC/SiC復(fù)合材料時，刀具損壞現(xiàn)象過早發(fā)生，而在加工傳統(tǒng)SiC陶瓷時不會發(fā)生此種現(xiàn)象。Shan等[27]在考慮纖維方向基礎(chǔ)上，基于復(fù)合材料切削理論，建立了雙向C/C復(fù)合材料鉆削軸向力模型，切削力實驗值和預(yù)測值相對誤差小于14.36%。

由此可見，F(xiàn)RCMCs硬度高和脆性大的特點導(dǎo)致其鉆削軸向力較大，進而引起分層等損傷較為嚴重的問題。和電鍍磨頭相比，釬焊磨頭更適合鉆削FRCMCs。分層現(xiàn)象與纖維方向密切相關(guān)，當切削方向與纖維方向夾角在90°～180°之間時有助于減小分層，反之會加劇分層現(xiàn)象。因此，可以通過采用適當?shù)墓に嚪椒ń档洼S向力提高表面完整性，進而提高材料的疲勞性能。但是目前的制孔方法尚存在一些不足，例如刀具磨損過快，成本過高等，仍需要進一步研究。

1.4 磨削

磨削特別適合于難切削硬脆材料的精加工。磨削力、纖維斷裂模式和表面完整性是FRCMCs磨削的研究熱點問題。在材料的磨削去除機理研究方面，Tawakoli等[28]使用分割砂輪技術(shù)磨削C/C-SiC復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)磨削力和磨削溫度有所降低，材料的去除率得到了提高。Zhang等[29]沿著縱向、橫向和徑向三個不同方向磨削單向C/SiC復(fù)合材料，結(jié)合相關(guān)的磨削理論發(fā)現(xiàn)纖維方向和磨削參數(shù)不僅會影響磨削力，還會影響加工表面微觀形貌和纖維的斷裂模式。Du等[30]采用電鍍金剛石砂輪沿著不同的方向磨削雙向C/SiC復(fù)合材料時發(fā)現(xiàn)，90°纖維（圖7中點狀）表面輪廓高度普遍低于0°纖維（圖7中條狀）。由于磨粒的擠壓，90°纖維被剪切斷裂后呈現(xiàn)圖7中的稀疏特征。圖8為不同纖維方向的加工表面微觀形貌，發(fā)現(xiàn)不同纖維方向的損傷模式并不相同，大量纖維被剪切斷裂甚至拔出。通過選擇適當?shù)墓に嚪椒梢越档湍ハ髁μ岣弑砻嫱暾浴?/p>

圖 8 加工表面不同纖維方向的微觀形貌[30] （a）縱向纖維；（b）徑向纖維；（c）橫向纖維Fig. 8 Ground surface morphologies of different fiber directions[30] （a）longitudinal fiber；（b）radial fiber；（c）transverse fiber

在磨削力建模研究方面，迄今為止，由于磨削過程和FRCMCs結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，很難建立一個準確的磨削力數(shù)學(xué)模型。劉杰等[31]使用樹脂結(jié)合金剛石砂輪磨削2D-C/SiC復(fù)合材料，并建立了一種磨削力經(jīng)驗?zāi)Ｐ停?/p>

式中：Ft和Fn分別為切向力和法向力；ap、vs和vw分別為磨削深度、砂輪線速率和工件進給速率。

事實上，精準的磨削力模型和砂輪的幾何參數(shù)、動態(tài)磨刃數(shù)、切削參數(shù)、材料參數(shù)、纖維方向和材料的去除模式（塑性去除和脆性去除）均有關(guān)。

由此可見，在針對FRCMCs磨削研究中，研究的重點方向主要集中在磨削力、纖維斷裂模式和表面完整性方面。由于FRCMCs至少具有兩相材料，具有非均質(zhì)性和各向異性，精準的磨削力模型很難建立。纖維的斷裂模式與纖維方向有關(guān)，不同纖維方向其加工表面微觀形貌特征也不相同。

上述FRCMCs傳統(tǒng)加工方法具有操作簡單、技術(shù)成熟和成本較低等優(yōu)勢。然而，傳統(tǒng)加工方法也存在刀具磨損嚴重、加工效率低和表面完整性較差等缺陷。為了克服這些缺陷，很多學(xué)者嘗試采用非傳統(tǒng)加工方法。

2 非傳統(tǒng)加工方法

2.1 超聲輔助加工

超聲輔助加工是在傳統(tǒng)加工基礎(chǔ)上施加高頻振動，可以降低切削力，有利于提高被加工零件的表面完整性，特別是在鉆孔時可明顯降低表面損傷。

在超聲輔助鉆孔實驗研究方面，Hocheng等[23]認為超聲輔助鉆孔可以提高C/SiC復(fù)合材料進出口的表面質(zhì)量，與傳統(tǒng)鉆孔方法相比，超聲輔助鉆孔具有更高的經(jīng)濟價值。Ding等[32]采用旋轉(zhuǎn)超聲加工C/SiC復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)在相同的實驗條件下旋轉(zhuǎn)超聲加工鉆削力降低了7.4%～23%，扭矩降低了8.5%～47.6%，且出口撕裂缺陷降低。Feng等[33]采用旋轉(zhuǎn)超聲輔助鉆削2D-C/SiC復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)纖維方向影響表面形貌，沿著90°纖維方向切削時表面粗糙度最小，0°和180°切削時表面粗糙度最大。Shan等[34]對比旋轉(zhuǎn)超聲鉆、普通鉆和高速鉆對針刺C/C復(fù)合材料鉆削性能的影響，發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)超聲鉆的加工缺陷最小。如圖9所示，Wang等[35]采用縱扭復(fù)合旋轉(zhuǎn)超聲鉆削C/SiC復(fù)合材料，與縱向旋轉(zhuǎn)超聲加工相比，此加工方式鉆削力降低50%，分層現(xiàn)象明顯減少，加工效率明顯提高。

圖 9 縱扭復(fù)合旋轉(zhuǎn)超聲加工[35]Fig. 9 Rotary ultrasonic machining with longitudinal-torsional coupled vibration[35]

在超聲輔助銑磨研究方面，Bertsche等[36]對比了SiC/SiC復(fù)合材料的傳統(tǒng)銑削和超聲輔助銑削加工結(jié)果，研究發(fā)現(xiàn)超聲輔助可以有效降低切削力和刀具磨損。0°纖維方向加工表面的粗糙度大于90°纖維方向。如圖10所示，由于超聲的錘擊作用超聲輔助銑削的表面粗糙度大于傳統(tǒng)銑削。Ding等[37]采用超聲振動輔助磨削降低C/SiC復(fù)合材料表面/亞表面損傷。黃博等[38]采用PCD銑刀、電鍍金剛石磨頭和釬焊金剛石磨頭三種不同的刀具進行超聲輔助加工SiC/SiC復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)釬焊金剛石磨頭最適合超聲輔助加工SiC/SiC復(fù)合材料。

圖 10 超聲輔助銑削和傳統(tǒng)銑削加工結(jié)果[36]Fig. 10 Results of ultrasonic assisted milling and traditional milling[36]

在超聲輔助切削力建模研究方面，YUAN等[39]建立了C/SiC復(fù)合材料旋轉(zhuǎn)超聲側(cè)銑動態(tài)切削力模型，切削力在圓柱坐標系下分解為纖維切削力和基體切削力，基體切削力又被分解為耕犁切削力和摩擦力。在不同的切削參數(shù)下該解析模型誤差在10%以內(nèi)。

由此可見，在FRCMCs加工中，和傳統(tǒng)加工方式相比，超聲輔助加工具有降低切削力，提高表面完整性的作用。釬焊金剛石磨頭在超聲輔助加工SiC/SiC復(fù)合材料中表現(xiàn)出良好的加工性能。纖維方向會影響超聲輔助加工FRCMCs的表面質(zhì)量，沿著90°纖維方向切削時粗糙度最小。因此，在實際加工中選擇合適的纖維方向加工對提高表面完整性具有重要影響，但是纖維方向的選擇并不完全由加工人員確定而是由材料制備和零件結(jié)構(gòu)決定，所以存在一定的難度。此外，超聲輔助加工FRCMCs的作用機理尚無統(tǒng)一的權(quán)威性結(jié)論，仍需要進一步研究，并且加工表面完整性對FRCMCs疲勞性能的影響也值得深入研究。

2.2 高壓水射流加工

高壓水射流是一種冷加工方法，被認為是一種非常適合硬脆材料加工的工藝方法[40-42]，但是在加工FRCMCs方面，也存在著一些分層、開裂等問題，而且高壓水射流加工參數(shù)（水壓力、磨料流量、進給速度和靶距等）對加工后的表面質(zhì)量具有重要的影響。

在高壓水射流加工表面損傷研究方面，如圖11所示，Ramulu等[43]采用高壓水射流加工編織FRCMCs，發(fā)現(xiàn)水射流的開始位置對表面損傷具有重要影響，由于能量的擴散和層間斷裂韌性較低，從邊緣開始切割的表面損傷小于從中間開始時的情況，損傷的形式包括分層、開裂和崩邊。Hashish等[44]發(fā)現(xiàn)經(jīng)過加工參數(shù)優(yōu)化后高壓水射流非常適合FRCMCs的制孔和開槽。Balamurugan等[45]利用響應(yīng)曲面法研究了水壓力、靶距和進給速度對FRCMCs去除率、切口角和表面粗糙度的影響，研究發(fā)現(xiàn)三者對材料去除率和切口角的影響是相等的，而靶距對粗糙度的影響最大，該研究結(jié)果對加工參數(shù)的優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)作用。

圖 11 高壓水射流加工FRCMCs示意圖[43] （a）從材料內(nèi)部開始加工；（b）從材料邊緣開始加工Fig. 11 Schematic of abrasive water jet machining FRCMCs[43] （a）jet start from inside of workpiece；（b）jet start from the edge of workpiece

由此可見，在加工FRCMCs方面，高壓水射流是一種非常具有前途的加工方法，效率較高。水射流從材料邊緣開始切割能提高加工表面完整性，合適的加工參數(shù)對加工表面質(zhì)量影響較大，加工參數(shù)經(jīng)過優(yōu)化后（如采用響應(yīng)曲面法）可以獲得高質(zhì)量的加工效果。但是和傳統(tǒng)加工方法相比，其理論性分析、孔徑一致性仍需進一步研究。

2.3 激光加工

激光加工是指利用聚焦后的高能激光束產(chǎn)生的高溫使材料熔化或汽化。激光加工技術(shù)具有生產(chǎn)效率高和質(zhì)量可靠優(yōu)點。當孔徑和開槽尺寸較小，采用傳統(tǒng)鉆銑削無法完成時常常使用激光加工。但是在加工FRCMCs時，由于激光加工會產(chǎn)生較高的溫度和FRCMCs的各向異性，F(xiàn)RCMCs會產(chǎn)生熱影響區(qū)、分層、纖維拔出和纖維末端膨脹等缺陷[46]，如圖12所示。根據(jù)激光脈沖持續(xù)時間，激光加工技術(shù)可分為毫秒、納秒、皮秒和飛秒技術(shù)。

圖 12 激光加工缺陷圖[46] （a）熱影響區(qū)；（b）纖維拔出；（c）分層；（d）纖維末端膨脹Fig. 12 Defects in laser beam machining[46] （a）heat affected zone；（b）fiber pulled out；（c）delamination；（d）fiber end swelling

在激光加工實驗研究方面，Tuersley等[47]在氮氣、氬氣和氧氣三種不同的輔助氣體下采用毫秒激光技術(shù)加工SiC/SiC復(fù)合材料，研究發(fā)現(xiàn)只有在氧氣輔助氣體下才會產(chǎn)生少量的硅酸鹽沉積，表明即使在高溫下，SiC的耐氧化性仍然較強。Costil等[48]使用納秒激光技術(shù)加工C/SiC復(fù)合材料，通過能譜分析（EDS）發(fā)現(xiàn)，碳含量下降而氧含量增加，因此碳的氧化速度高于硅。Zhang等[49]采用皮秒激光技術(shù)加工C/SiC復(fù)合材料，在入口處和孔壁上發(fā)現(xiàn)了約為10 μm的燒蝕層。Zhai等[50]采用飛秒激光技術(shù)加工SiC/SiC復(fù)合材料孔時發(fā)現(xiàn)，在燒蝕表面產(chǎn)生了硅基氧化物，但是，與納秒激光技術(shù)相比，飛秒技術(shù)產(chǎn)生的二氧化硅數(shù)量減少。

激光加工參數(shù)（脈沖頻率、掃描速度、脈沖能量、輔助氣體種類和壓力等）對加工質(zhì)量具有重要的影響。Wang等[51]采用超短脈沖激光加工C/SiC復(fù)合材料氣膜孔，發(fā)現(xiàn)只有在較小的加工步進下孔才能形成，掃描速度的增加會導(dǎo)致孔深減小而孔徑不變，高的激光能量可以獲得較大的孔深徑比。Zhang等[49]采用皮秒激光技術(shù)加工C/SiC復(fù)合材料微孔，研究了加工參數(shù)對孔質(zhì)量的影響，并進行了加工參數(shù)優(yōu)化。如圖13所示，Li等[52]使用不同模式的皮秒激光技術(shù)加工SiC/SiC復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)螺旋線加工模式下孔質(zhì)量優(yōu)于單環(huán)線加工模式。

圖 13 不同加工模式制孔表面形貌[52] （a），（b）單環(huán)線加工模式；（c），（d）螺旋線加工模式Fig. 13 Surface morphologies under different machining modes[52] （a），（b） under single ring line scanning mode；（c），（d） under helical line scanning mode

由此可見，激光加工在FRCMCs加工方面體現(xiàn)出了強大的發(fā)展?jié)摿ΑＳ捎跓嵊绊憛^(qū)的存在會影響加工表面完整性，如產(chǎn)生分層、纖維拔出和纖維末端膨脹等缺陷，但經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化和采取適當?shù)墓に嚪椒?，如利用高壓水射流輔助激光加工，可以大幅度縮小熱影響區(qū)范圍，改善加工質(zhì)量。但FRCMCs激光加工技術(shù)還可能造成孔有一定的錐度，存在價格昂貴和加工質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，其理論性分析仍需進一步研究。

2.4 放電加工

放電加工是指通過工具電極和工件電極之間脈沖放電的電蝕作用，從而達到去除材料的目的。由于FRCMCs各向異性和火花放電產(chǎn)生的瞬時高溫，不僅會造成加工表面高溫損傷還會產(chǎn)生較高的殘余應(yīng)力。又因為FRCMCs中的陶瓷基體導(dǎo)電性能較差，加工效率較低，所以迄今為止針對FRCMCs的放電加工相關(guān)研究較少。

在FRCMCs放電加工實驗研究方面，Hocheng等[53]采用電火花加工C/C復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)在較低的脈沖電流下可以有效的阻止纖維斷裂和分層。經(jīng)過能量色散X射線光譜儀（EDX）分析重鑄層表明，隨著峰值電流的增加，電極中的銅沉積在加工表面可有效阻止纖維方向裂紋的擴展。如圖14所示，He等[54]采用線切割沿著不同的纖維方向加工2D-C/SiC復(fù)合材料，在加工表面發(fā)現(xiàn)縱/橫向纖維斷裂、纖維開裂、基體開裂、凹坑和界面剝離等加工缺陷。如圖15所示，Wei等[55]采用不同的電火花技術(shù)加工SiC/SiC復(fù)合材料，對比研究了傳統(tǒng)電火花和電極振動及深度沖洗電火花的加工性能。研究發(fā)現(xiàn)，切屑的及時排出對孔表面質(zhì)量具有重要影響，電極振動和深度沖洗均有助于提高孔表面完整性。

圖 14 不同纖維方向線切割示意圖[54] （a）徑向纖維方向；（b）縱向纖維方向；（c）橫向纖維方向Fig. 14 Schematic diagrams of WEDM in different fiber directions[54] （a）radial fiber direction；（b）longitudinal fiber direction；（c）transverse fiber direction

圖 15 不同電火花加工形貌[55] （a）電極振動和深度沖洗電火花加工示意圖；（b）傳統(tǒng)電火花加工；（c）電極振動電火花加工；（d）深度沖洗電火花加工Fig. 15 Different EDM morphologies[55] （a）schematic of EDM with tool vibration and deep flushing；（b）traditional EDM；（c）with tool vibration；（d）with deep flushing

由此可見，F(xiàn)RCMCs中基體的導(dǎo)電性差將導(dǎo)致材料的去除率較低，纖維方向和工藝參數(shù)對放電加工的加工性能具有重要的影響，增加峰值電流有助于提高表面完整性。電極振動及深度沖洗電火花加工展現(xiàn)出了強大的發(fā)展?jié)摿Γ档眠M行深入的研究。

從以上文獻可以看出，與傳統(tǒng)加工方法相比，F(xiàn)RCMCs的非傳統(tǒng)加工方法具有良好的加工性能。非傳統(tǒng)加工方法在一定程度上彌補了傳統(tǒng)加工方法的不足，提高了表面完整性并降低了刀具磨損等缺陷，在一定程度上滿足了企業(yè)對零件尺寸公差的要求，提高了形狀位置精度。雖然通過工藝參數(shù)優(yōu)化和適當?shù)墓に嚪椒梢垣@得較高的表面質(zhì)量，但是這些非傳統(tǒng)加工方法在加工FRCMCs時也都存在一些問題。針對FRCMCs非傳統(tǒng)加工的材料去除機理、加工表面完整性對材料疲勞性能的影響、加工成本過高等都是需要進行深入研究的問題。

3 結(jié)束語

本文總結(jié)概括FRCMCs傳統(tǒng)和非傳統(tǒng)加工方法的研究現(xiàn)狀，討論不同加工方法的加工機理和材料去除機理，并對各種加工方法的發(fā)展趨勢、存在問題和解決方法進行了分析。表1列出了各種工藝方法在FRCMCs加工中的適用范圍及其優(yōu)缺點，從中可以看出非傳統(tǒng)加工方法具有比較明顯的優(yōu)勢，是當前發(fā)展的主要方向。其中C/C復(fù)合材料因其良好的可加工性，幾乎每種加工方式都可以加工。而其他3種FRCMCs的可加工性相對較差，盡管其他加工方式也可以少量加工，但主要以磨削、超聲輔助、水射流和激光加工方式為主進行加工。根據(jù)上述分析，可以得到如下結(jié)論：

（1）FRCMCs的加工機理仍需更深入的研究。由于FRCMCs的非均質(zhì)性、各向異性、纖維方向性和脆塑性轉(zhuǎn)變性，其去除機理十分復(fù)雜。目前，其去除機理常常通過電子顯微鏡研究，深入的理論性研究仍然缺乏。

（2）缺乏FRCMCs系統(tǒng)的加工工藝參數(shù)和刀具參數(shù)優(yōu)化數(shù)據(jù)庫。經(jīng)過工藝參數(shù)和刀具優(yōu)化后能顯著改變其加工性能，但系統(tǒng)的參數(shù)數(shù)據(jù)庫仍然缺乏。

（3）缺乏FRCMCs表面完整性特定的表征技術(shù)。FRCMCs的損傷形式與傳統(tǒng)金屬有很大不同，采用傳統(tǒng)的表面完整性評價體系不能完全真實反應(yīng)其加工質(zhì)量。

（4）FRCMCs的傳統(tǒng)加工方法具有操作簡單、技術(shù)成熟和成本較低等優(yōu)勢。然而，傳統(tǒng)加工方法存在刀具磨損嚴重、加工效率低和表面完整性較差等問題。通過合理的選擇刀具、加工參數(shù)、刀具路徑和加工方式可在一定程度上實現(xiàn)FRCMCs的高效精密加工。

表 1 不同加工工藝方法的適用范圍和優(yōu)缺點Table 1 Applicable scopes，advantages and disadvantages of different processing methods

（5）FRCMCs的非傳統(tǒng)加工方法能提高其加工表面完整性。超聲輔助加工具有降低切削力提高表面完整性等優(yōu)勢，非常具有應(yīng)用前景。采用飛秒激光技術(shù)可顯著降低氧化層的形成，水射流輔助激光加工可獲得較高的表面質(zhì)量，但其成本較高，其精度控制和加工工藝方法等也還需要進行深入研究。由于FRCMCs中的陶瓷基體導(dǎo)電性能較差，采用放電加工效率較低。電極振動及深度沖洗可在一定程度上改善電火花加工性能，其電火花加工技術(shù)仍需要開展深入研究。