袁 芳 徐 亮 趙國(guó)龍 王新永 陳旭輝 裴天河 魏金花 李晴凇 李軍平 馮志海 王金明

（1 航天材料及工藝研究所，先進(jìn)功能復(fù)合材料技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100076）

（2 南京航空航天大學(xué)，機(jī)電學(xué)院，南京 210016）

0 引言

纖維增強(qiáng)SiC 陶瓷基復(fù)合材料（Fiber Reinforced SiC Matrix Composites，F(xiàn)RCMC-SiC）是一類以連續(xù)纖維為增強(qiáng)體骨架、以SiC 陶瓷為基體經(jīng)過不同工藝方法復(fù)合而成的復(fù)合材料，按照纖維種類不同可分為C纖維增強(qiáng)SiC基復(fù)合材料（Cf/SiC）和SiC纖維增強(qiáng)SiC基復(fù)合材料（SiCf/SiC）兩種。FRCMC-SiC 復(fù)合材料綜合了連續(xù)纖維優(yōu)良的力學(xué)性能和SiC 陶瓷良好的物理化學(xué)性能，具有密度低、強(qiáng)度高、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕等優(yōu)良性能，在航空、航天、能源、交通等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是繼C/C復(fù)合材料之后發(fā)展的又一新型戰(zhàn)略性材料［1-3］。

FRCMC-SiC 復(fù)合材料的研究和發(fā)展已超過半個(gè)多世紀(jì)，國(guó)外從20世紀(jì)70年代后期開始一直致力于該類材料的設(shè)計(jì)、工藝、考核及應(yīng)用研究。法國(guó)Snecma 公司生產(chǎn)的調(diào)節(jié)片、密封片在700 ℃工作100 h，減重50%，疲勞壽命優(yōu)于高溫合金，已在航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)裝機(jī)使用，在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、進(jìn)氣道前緣、主動(dòng)冷卻面板等方面也開展了大量研究工作［4-5］。作為高超聲速飛行器大面積防熱系統(tǒng)，Cf/SiC復(fù)合材料在X-37B、X-38、IXV 等飛行器頭錐、鼻錐帽、迎風(fēng)面蓋板、控制舵等部分得到應(yīng)用，替代原有金屬防熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重和耐溫等級(jí)提升，為飛行器設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)與保障。其中，X-37B已成功完成5 次飛行試驗(yàn)，累積在軌時(shí)間達(dá)到2 865 d，表明Cf/SiC 復(fù)合材料在重復(fù)使用天地往返飛行器領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用潛力［6-7］；IXV 已成功完成首次高速再入飛行試驗(yàn)，飛行器表面最高溫度接近1 649 ℃，飛行試驗(yàn)持續(xù)約100 min，除了驗(yàn)證飛行器的機(jī)動(dòng)性和制導(dǎo)性能以外，也考察了包括Cf/SiC 復(fù)合材料在內(nèi)的熱防護(hù)系統(tǒng)的安全性和可靠性［8-10］。除此之外，國(guó)外在FRCMC-SiC 復(fù)合材料在衛(wèi)星支架、空間光學(xué)系統(tǒng)、裝甲防護(hù)、核聚變反應(yīng)堆、燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件、高性能跑車剎車系統(tǒng)等領(lǐng)域也開展了大量基礎(chǔ)研究和應(yīng)用技術(shù)工作，部分已實(shí)現(xiàn)成功應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)從20世紀(jì)末開始開展FRCMC-SiC 復(fù)合材料研究，經(jīng)過近30年的發(fā)展，相關(guān)科研院所和工業(yè)部門在高性能連續(xù)纖維研發(fā)技術(shù)、復(fù)合材料制備工藝、界面設(shè)計(jì)與微結(jié)構(gòu)控制、表面抗氧化技術(shù)等方面開展了大量研究工作。西北工業(yè)大學(xué)多年來一直從事FRCMC-SiC 復(fù)合材料化學(xué)氣相浸滲工藝研究，解決了基于增強(qiáng)纖維、界面相、基體與涂層的微結(jié)構(gòu)單元強(qiáng)韌化協(xié)同問題，在薄壁結(jié)構(gòu)件的成型和致密化方面具有較為成熟的工藝技術(shù)［1，5，11］。航天材料及工藝研究所、上海硅酸鹽研究所、國(guó)防科技大學(xué)、沈陽金屬研究所、中航復(fù)合材料有限公司、航天非金屬材料研究所、中南大學(xué)等單位在FRCMC-SiC 復(fù)合材料前驅(qū)體浸漬/裂解法（PIP 法）、化學(xué)氣相浸滲法（CVI法）、反應(yīng)熔滲法（RMI 法）研究比較深入，基本形成了適用不同微觀結(jié)構(gòu)、不同性能水平、不同尺寸量級(jí)、不同使用需求條件的復(fù)合材料體系和制備工藝技術(shù)［12-15］。目前，國(guó)內(nèi)FRCMC-SiC 正處于全面發(fā)展和應(yīng)用階段。

FRCMC-SiC 由基體、纖維和界面組成，其中SiC基體或SiC纖維（SiCf/SiC）屬于超硬脆性材料，導(dǎo)致材料存在高硬度、大脆性和各向異性特點(diǎn)，使得高精度低損傷加工技術(shù)成為這類材料工程應(yīng)用必須解決的關(guān)鍵技術(shù)之一，特別是對(duì)于航空航天具有復(fù)雜曲面、凹腔、溝槽、孔洞、臺(tái)階等結(jié)構(gòu)更是如此［16-17］。本文主要綜述近年來纖維增強(qiáng)SiC 陶瓷基復(fù)合材料加工技術(shù)研究進(jìn)展，綜合和分析不同加工方法加工原理、理論模型構(gòu)建、工藝參數(shù)優(yōu)化、表面質(zhì)量控制與損傷形成機(jī)制等，討論現(xiàn)有研究存在的主要問題，對(duì)未來研究方向提出展望。

1 纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的常規(guī)機(jī)械加工技術(shù)

纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的常規(guī)機(jī)械加工技術(shù)主要包括磨削、銑削、車削和鉆削等，國(guó)內(nèi)大連理工大學(xué)、天津大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、航天材料及工藝研究所、東北大學(xué)、華僑大學(xué)等單位圍繞上述常規(guī)機(jī)械加工技術(shù)開展了系統(tǒng)深入研究，重點(diǎn)主要集中在工藝參數(shù)優(yōu)化、材料去除機(jī)理、刀具優(yōu)選和刀具失效機(jī)理等方面。

1.1 磨削加工

磨削是纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件獲得最終加工表面和尺寸精度的常用機(jī)械加工工藝，現(xiàn)有研究主要針對(duì)復(fù)合材料的磨削特性、纖維方向角對(duì)材料磨削過程的影響、加工表面質(zhì)量和磨削去除機(jī)制等方面開展。張立峰等［18-22］研究了Cf/SiC 復(fù)合材料的磨削特性，建立了磨削力預(yù)測(cè)模型并開展了金剛石砂輪磨削試驗(yàn)，分析了纖維方向角、磨削用量等對(duì)磨削力和加工表面質(zhì)量的影響，揭示了磨削機(jī)理。結(jié)果表明磨削用量對(duì)磨削力具有顯著影響，磨削力隨磨削速度的提高而降低，而隨著磨削深度和進(jìn)給速度的增大而增大；纖維方向角對(duì)材料去除方式和加工表面粗糙度有較大影響；復(fù)合材料以脆性去除為主，材料的破壞形式主要是基體開裂、界面失效和纖維斷裂的綜合模式。CAO 等［23］研究了磨削用量和纖維方向角對(duì)磨削力和磨削表面質(zhì)量的影響，結(jié)果表明提高砂輪速度可提高加工表面質(zhì)量，而當(dāng)纖維方向角為0°時(shí)切削力最大，纖維方向角不同時(shí)材料去除機(jī)制不同。TAWAKOLI 等［24］對(duì)比分析了常規(guī)磨削和斷續(xù)磨削兩種方法加工Cf/SiC 復(fù)合材料的磨削力和表面質(zhì)量，結(jié)果表明斷續(xù)磨削可減少劃擦和犁耕效應(yīng)，降低磨削比能，從而獲得了較高的表面質(zhì)量，加工表面粗糙度Ra可達(dá)0.3 μm（目前文獻(xiàn)報(bào)道的最小表面粗糙度）。XU 等［25-27］研究了磨削速度和纖維方向角對(duì)磨削力和表面質(zhì)量的影響規(guī)律，結(jié)果表明提高磨削速度可降低磨削力、提高表面質(zhì)量，不同纖維方向角時(shí)加工表面粗糙度不同，如圖1所示。

圖1 不同磨削纖維角時(shí)2D Cf/SiC復(fù)合材料的加工表面形貌［26］Fig.1 Morphology of the ground surfaces after different grinding fiber angles of 2D Cf/SiC composite［26］

在磨削機(jī)理方面，單顆磨粒劃擦實(shí)驗(yàn)是研究磨削機(jī)理的主要方法。LI 等［28］開展了單向Cf/SiC 復(fù)合材料的單顆磨粒劃擦實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明復(fù)合材料發(fā)生脆性斷裂，材料破壞形式包含基體脆性破壞、纖維斷裂、纖維拔出和界面脫粘。LIU等［27］通過單顆磨粒劃擦實(shí)驗(yàn)研究了2D Cf/C-SiC 復(fù)合材料的磨削機(jī)理，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料以脆性模式去除，即基體產(chǎn)生裂紋，基體/纖維脫粘和纖維斷裂，而磨粒切入角對(duì)纖維束的去除形式有較大影響（圖2）當(dāng)磨粒沿經(jīng)向和緯向切入時(shí)，受磨粒擠壓作用，纖維束和基體發(fā)生大面積脫粘，纖維束呈大塊斷裂；當(dāng)磨粒沿法向切入時(shí)，纖維束發(fā)生剪切斷裂或彎曲斷裂，此時(shí)纖維束和基體僅有小面積脫粘，因此纖維束碎斷并拔出，在加工表面留下小孔洞。YIN等［29］研究了磨削速度對(duì)SiCf/SiC復(fù)合材料去除機(jī)理影響的研究，結(jié)果表明沿纖維經(jīng)向，高速磨削時(shí)纖維發(fā)生脆性斷裂，基體發(fā)生撕裂；而在低速磨削時(shí)，纖維發(fā)生犁耕現(xiàn)象，基體發(fā)生涂抹。沿纖維緯向，高速磨削時(shí)纖維被完全去除；而低速磨削時(shí)發(fā)現(xiàn)有殘留未切斷的纖維。LIU 等［30］使用平底和鋒利金剛石磨粒劃擦2D Cf/SiC 復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，兩種磨粒作用下SiC 基體均以脆性模式去除，加工表面存在裂紋、基體剝落、纖維拔出和纖維冒頭等缺陷。使用鋒利金剛石磨粒劃擦?xí)r，SiC 基體和SiC 纖維還發(fā)生了塑性斷裂，如圖3所示。

圖2 單顆磨粒切割纖維束的三種模式［27］Fig.2 Three modes of the single-grain cutting into a fiber bundle［27］

圖3 鋒利金剛石磨粒劃擦SiCf/SiC復(fù)合材料的表面形貌［30］Fig.3 Morphology of SiCf/SiC composite after scribing by sharp diamond grit［30］

為了改善Cf/SiC復(fù)合材料的磨削性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者將微量潤(rùn)滑（MQL）技術(shù)應(yīng)用到Cf/SiC復(fù)合材料的磨削加工中。ADIBI等［31］對(duì)比研究了干磨削、MQL磨削和使用切削液磨削Cf/SiC復(fù)合材料的磨削力和加工表面質(zhì)量，結(jié)果表明MQL作用下磨削力最小、砂輪磨損最低、加工質(zhì)量最高。與干磨削相比，MQL作用下磨削力降低了38.88%，磨削比提高了115.38%，表面粗糙度Ra降低了75.26%。QU等［32-33］研究了MQL磨削Cf/SiC復(fù)合材料過程中MQL的作用機(jī)制，其工藝原理示意圖如圖4所示。磨削過程中，微量潤(rùn)滑液體進(jìn)入工件材料的缺陷區(qū)域，如纖維拔出孔和基體裂紋處，磨削熱導(dǎo)致水蒸發(fā)，帶走大量的熱量，從而降低了磨削溫度。同時(shí)，潤(rùn)滑介質(zhì)在磨粒和工件材料之間形成油膜，降低了摩擦力，提高了砂輪壽命。與干式磨削和使用切削液磨削相比，微量潤(rùn)滑磨削的表面粗糙度最小，加工質(zhì)量最優(yōu)，如圖5所示。

圖4 微量潤(rùn)滑磨削Cf/SiC復(fù)合材料［32］Fig.4 MQL grinding of Cf/SiC composite［32］

圖5 干磨削、濕磨削和MQL磨削Cf/SiC復(fù)合材料的Sa對(duì)比［32］Fig.5 Surface roughness of the Cf/SiC composite under dry，wet and MQL grinding［32］

1.2 鉆削加工

孔加工是航空航天領(lǐng)域高端裝備制造裝配過程中極為重要的工藝組成部分，即使纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件可以使用近凈成形以減少材料的二次加工，但是近凈成形工藝難以獲得高質(zhì)量孔，不可避免要使用制孔工藝。航空航天裝備中裝配孔的數(shù)量巨大，對(duì)高效制孔提出了迫切需求。纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件連接裝配后，通常無法采用二次復(fù)合工藝消除連接間隙和材料缺陷，因此高精度高質(zhì)量制孔成為保障裝配可靠性的關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的制孔工藝建模、參數(shù)優(yōu)化、材料去除機(jī)理等方面開展了大量研究。

畢銘智［34］采用高速鋼、硬質(zhì)合金、PCD 和電鍍金剛石刀具鉆削三維針刺Cf/SiC 復(fù)合材料的對(duì)比試驗(yàn)表明，PCD 刀具加工獲得的孔質(zhì)量和精度最高，軸向力比高速鋼和硬質(zhì)合金分別低60%和46%，PCD 刀具壽命是硬質(zhì)合金刀具的4 倍。鉆削軸向力隨主軸轉(zhuǎn)速提高而降低，隨進(jìn)給速度提高而增加，且進(jìn)給速度對(duì)軸向力影響最大?？妆谟忻?，孔出口產(chǎn)生了崩邊缺陷。張國(guó)棟等［35］開展了釬焊金剛石鉆頭鉆削C/C-SiC 復(fù)合材料試驗(yàn)，研究了鉆削用量，即鉆頭轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量對(duì)鉆削力和孔出入口質(zhì)量的影響規(guī)律。結(jié)果表明，鉆削力隨著轉(zhuǎn)速的增加而降低，隨著進(jìn)給量的增加而升高；鉆削力對(duì)孔質(zhì)量有顯著影響，且孔的入口質(zhì)量比出口質(zhì)量高。鉆孔過程中，由于孔出口處材料處于單邊約束狀態(tài)，在鉆頭的推擠作用下，孔出口處常常產(chǎn)生撕裂或崩邊等缺陷。為了解決上述問題，XING 等［36］在C/C-SiC 復(fù)合材料鉆孔試驗(yàn)中，在材料出口側(cè)采用石墨板作為支撐層，支撐層不僅提高了工件的剛度，而且使得出口處材料得到雙向約束，降低了出口缺陷（圖6）。鉆削參數(shù)對(duì)鉆削力、孔質(zhì)量和刀具磨損具有顯著影響，隨著鉆削速度的提高和進(jìn)給量的降低，鉆孔質(zhì)量升高。纖維方向和切削速度方向?qū)庸べ|(zhì)量有較大影響，當(dāng)兩方向夾角為90°～180°時(shí)，加工導(dǎo)致材料分層減弱。

圖6 未使用和使用石墨支撐層進(jìn)行鉆孔的裝夾示意圖［36］Fig.6 Drilling types with and without supported graphite plate［36］

由于纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料具有高硬度、各向異性和非均質(zhì)性等特性，其鉆削過程中鉆削力呈現(xiàn)不對(duì)稱性，容易導(dǎo)致鉆頭偏斜甚至折斷。DIAZ等［37］采用概率論方法建立了考慮SiCf/SiC復(fù)合材料特性的鉆削力模型，如圖7所示，并開展了鉆削試驗(yàn)研究。材料的高硬度導(dǎo)致高鉆削力，材料的各向異性和非均質(zhì)性導(dǎo)致鉆削過程中產(chǎn)生徑向分力；材料不同部位處纖維、基體和氣孔的體積分?jǐn)?shù)不同，所以鉆削過程中徑向分力不斷變化。為了探明加工缺陷形成機(jī)制，DIAZ等［38］采用拉曼光譜法檢測(cè)了SiCf/SiC復(fù)合材料鉆削過程中由于機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力而導(dǎo)致的材料應(yīng)變，探明了材料特性對(duì)加工過程的影響。SiC纖維以脆性去除為主，加工獲得的殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，因此熱應(yīng)力梯度是導(dǎo)致纖維應(yīng)變的主要原因。而SiC基體以塑性去除為主，加工獲得的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，因此機(jī)械應(yīng)力是導(dǎo)致基體應(yīng)變的主要原因。

圖7 復(fù)合材料不同部位處鉆頭所受徑向力示意圖［37］Fig.7 Radial forces on the drill bit at different parts of the composite［37］

螺旋銑削（Helical Milling）制孔，也稱為行星鉆（Orbital Drilling）是使用高速旋轉(zhuǎn)的立銑刀沿著螺旋線軌跡進(jìn)給，從而在工件上銑削出直徑大于立銑刀直徑的圓孔的新工藝。該工藝中立銑刀沿螺旋軌跡進(jìn)給，將工件材料逐層銑削去除，因此比常規(guī)鉆削工藝的軸向力低，出口毛刺少；由于加工孔的直徑比刀具直徑大，切削區(qū)域不封閉，散熱條件好，易于排屑，因此比常規(guī)鉆削的切削溫度低，且一把刀具可以加工多種規(guī)格的孔。張瑾瑜等［39］對(duì)比研究了Cf/SiC 復(fù)合材料螺旋銑削和鉆削制孔效果，表明由于螺旋銑削采用偏心加工，消除了麻花鉆橫刃的擠壓作用，因此軸向力降低，螺旋銑孔的軸向力約為鉆削孔軸向力的56.9%，孔壁粗糙度和孔徑差均小于鉆削，且加工缺陷降低（圖8）。

圖8 Cf/SiC復(fù)合材料鉆孔和螺旋銑孔的出入口質(zhì)量［39］Fig.8 Hole qualities of Cf/SiC composite obtained with drilling and helical milling processes［39］

1.3 銑削加工

磨削加工雖然可獲得較高的加工表面質(zhì)量和精度，但其加工效率依然較低，當(dāng)材料去除量較大時(shí)，使用銑削刀具加工纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料可大幅度提高加工效率?，F(xiàn)有研究結(jié)果表明，金剛石刀具是加工陶瓷基復(fù)合材料的理想刀具，使用金剛石刀具可獲得較高的使用壽命和良好的加工表面質(zhì)量［40-45］。HU 等［46］使用PCD 刀具銑削二維Cf/SiC 復(fù)合材料的研究表明，隨著銑削速度的增加，切削力和加工表面粗糙度均降低，而進(jìn)給速度對(duì)切削力和加工表面粗糙度的影響趨勢(shì)則相反；材料去除機(jī)理為纖維斷裂、基體破碎和纖維-基體脫粘；當(dāng)纖維方向角為90°時(shí)加工表面質(zhì)量最優(yōu)（表面粗糙度Sa為2.028 μm）。何濤等［47］研究了PCD 刀具銑削Cf/SiC 復(fù)合材料的表面完整性，結(jié)果表明提高切削速度能改善表面質(zhì)量，增大切深會(huì)使表面質(zhì)量嚴(yán)重惡化，加工表面存在纖維層狀脆斷、拔出和纖維束斷裂等缺陷。

現(xiàn)有針對(duì)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料銑削加工的研究大多集中在工藝參數(shù)對(duì)切削力和加工質(zhì)量的影響，并對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，而忽略了切削溫度的研究。復(fù)合材料對(duì)加工冷卻條件要求苛刻，若使用切削液來降低切削溫度，則切削液會(huì)滲入材料固有的孔洞中，在刀具的擠壓作用下，孔洞內(nèi)的切削液會(huì)導(dǎo)致裂紋萌生并向材料內(nèi)部擴(kuò)展，造成嚴(yán)重的亞表層損傷。因此，復(fù)合材料必須在干切削或近干式切削條件下加工，由于復(fù)合材料的高硬度和強(qiáng)耐磨性，切削溫度高，不僅導(dǎo)致刀具磨損速率快，而且降低了加工質(zhì)量。徐亮等［48-50］開展了低溫銑削纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的相關(guān)研究，搭建了低溫加工裝置，對(duì)比研究了干切削、液氮和低溫CO2冷卻銑削Cf/SiC 復(fù)合材料的切削力、切削溫度、刀具壽命和加工表面質(zhì)量，研究了材料去除機(jī)理和刀具失效機(jī)理（圖9）。研究結(jié)果表明，干切削Cf/SiC 復(fù)合材料的切削溫度可達(dá)700 ℃，且切削力大、刀具失效快，導(dǎo)致加工損傷嚴(yán)重。低溫介質(zhì)大幅度降低了切削溫度（降低了40%以上），相同切削用量下刀具壽命提高了50%以上。低溫銑削中復(fù)合材料以脆性去除為主，PCD 刀具磨損機(jī)理主要是磨粒磨損。張健強(qiáng)［51］研究了液氮和室溫條件下Cf/SiC 復(fù)合材料的拉伸、彎曲強(qiáng)度和微觀組織演變，表明兩種溫度下復(fù)合材料的力學(xué)性能相當(dāng)，且微觀組織無明顯變化。由此可見，低溫加工不僅可以降低切削溫度，提高刀具壽命和加工效率，而且對(duì)復(fù)合材料的性能沒有影響，在復(fù)合材料加工領(lǐng)域具有良好應(yīng)用前景。SHYAM 等［52］開展了MQ 銑削Cf/SiC 復(fù)合材料的試驗(yàn)研究，對(duì)比分析了自制的蔬菜基綠色切削油（vegetable-based green cutting fluid）和商業(yè)化石油基礦物油對(duì)加工質(zhì)量的影響。結(jié)果表明自制的綠色切削油可獲得更高的加工表面質(zhì)量，表面粗糙度降低了17%，加工缺陷主要包括纖維拔出、纖維斷裂、基體裂紋和界面脫粘。

圖9 Cf/SiC復(fù)合材料加工試驗(yàn)結(jié)果［48-50］Fig.9 Machined experimental results of Cf/SiC composite［48-50］

刀具被譽(yù)為工業(yè)的“牙齒”，在纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的常規(guī)機(jī)械加工中，刀具材料和結(jié)構(gòu)對(duì)于加工效率、加工質(zhì)量具有重要影響。刀具材料方面，王平等［40］選用人造金剛石聚晶車刀對(duì)Cf/SiC 復(fù)合材料進(jìn)行車削加工試驗(yàn)，研究表明選取適合的刀具和切削參數(shù)能夠有效保證Cf/SiC 復(fù)合材料的加工質(zhì)量，加工Sa達(dá)到了6.3 μm，尺寸精度達(dá)到0.03 mm。加工刀具的改進(jìn)作為提高Cf/SiC 復(fù)合材料加工質(zhì)量和加工效率的重要途徑之一，使得學(xué)者們也紛紛對(duì)適用于Cf/SiC 復(fù)合材料加工的刀具進(jìn)行了研究。向道輝等［53］制備了碳纖維復(fù)合材料專用CVD金剛石涂層刀具，并對(duì)比了該CVD 金剛石涂層刀具與普通硬質(zhì)合金刀具的鉆削性能。畢智銘等［34］選用高速鋼刀具、普通硬質(zhì)合金刀具、PCD 刀具和電鍍金剛石刀具分別對(duì)Cf/SiC 復(fù)合材料進(jìn)行鉆削、銑削加工試驗(yàn)，確定了PCD刀具是加工Cf/SiC復(fù)合材料的最佳刀具，并分析了工藝參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量的影響。吳煜斌等［54］試驗(yàn)分析了金剛石銑刀、硬質(zhì)合金銑刀、金剛石磨棒和超硬銑刀加工Cf/SiC 復(fù)合材料的切削性能，結(jié)果表明相比其他三種刀具，金剛石銑刀能有效地改善加工表面粗糙度，提高亞表面質(zhì)量。相關(guān)研究表明，相比于傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金刀具和涂層刀具等，PCD 刀具更為適合碳纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的加工，但是研究?jī)H停留于對(duì)比不同結(jié)構(gòu)、材料的刀具的加工性能，確定適用于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加工的刀具材料種類，即針對(duì)現(xiàn)有刀具進(jìn)行選型，開展切削匹配性研究。

刀具結(jié)構(gòu)研究方面，陳杰等［55］研究了PCD 刀具幾何參數(shù)對(duì)2D Cf/SiC 復(fù)合材料銑削力、表面粗糙度和加工缺陷的影響規(guī)律。結(jié)果表明，刀具前角和鈍圓半徑對(duì)銑削力具有顯著影響，隨著前角和鈍圓半徑的增大，銑削力和軸向力增大。當(dāng)?shù)毒咔敖菫?°，后角為20°，刃口鈍圓半徑為10 μm 時(shí)，加工質(zhì)量最優(yōu)。ZOU等［56］采用PCD 刀具對(duì)2D Cf/SiC復(fù)合材料進(jìn)行了鉆削加工，分析了鉆頭后角以及頂角分別對(duì)鉆削性能的影響。LACALLE 等［57］通過試驗(yàn)，研究了不同涂層“菠蘿”刃銑刀銑削復(fù)合材料時(shí)的切削加工性能。并分析材料加工缺陷產(chǎn)生的原因，“菠蘿”刃銑刀將切削刃離散化，提高了加工效率，但是該銑刀制備工藝較為繁瑣，生產(chǎn)成本高，而且切削刃離散化使得容屑槽空間較小，切屑不易排出，熱量積聚使得切削區(qū)域溫度高，涂層易脫落，刀具磨損嚴(yán)重而無法繼續(xù)使用。

另外，LACALLE 等［57］還通過優(yōu)化刀具結(jié)構(gòu)來改變軸向力方向的方法，設(shè)計(jì)了壓迫式立銑刀。側(cè)刃呈左右旋反向結(jié)構(gòu)，切削刃沿軸向具有左旋和右旋的螺旋槽，切削時(shí)可將工件材料置于螺旋角交叉處，通過改變銑削加工時(shí)的軸向力方向，從而實(shí)現(xiàn)抑制材料分層的目的。該銑刀能夠有效抑制復(fù)合材料銑削加工時(shí)的加工缺陷，但是因?yàn)榍邢魅休^長(zhǎng)，銑削復(fù)合材料時(shí)切削力大，刀具磨損快。苗光等［58］針對(duì)復(fù)合材料的銑削加工，設(shè)計(jì)了一款交錯(cuò)PCD 立銑刀。將四個(gè)傾角方向不同的PCD 刀片焊接到硬質(zhì)合金刀體上，相鄰刀齒的傾角大小相同，但方向不同，加工時(shí)有效抑制了碳纖維復(fù)合材料的加工缺陷?，F(xiàn)有針對(duì)刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究多為針對(duì)碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料加工刀具的設(shè)計(jì)，而針對(duì)FRCMC-SiC復(fù)合材料銑削加工的專用刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面的文獻(xiàn)較少，相關(guān)研究亟待開展。

2 纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的特種加工技術(shù)

特種加工技術(shù)也稱為“非傳統(tǒng)加工技術(shù)”（Non-Traditional Machining，NTM），指利用熱能、電能、光能、化學(xué)能等能量達(dá)到去除或增加材料的加工方法。纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的特種加工技術(shù)主要包括激光加工、電火花加工、水射流加工等，國(guó)內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)、山東大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中航工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)中心等單位圍繞特種加工工藝、能量對(duì)材料的作用機(jī)理、工藝參數(shù)優(yōu)化和加工質(zhì)量等開展了大量研究工作。

2.1 激光加工

激光加工是利用高能量密度的激光束使工件材料去除、變形、改性、沉積或連接等的加工技術(shù)。激光能量作用集中、效率高、可控性高，且激光加工屬于非接觸加工，不產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，不存在刀具磨損和替換等問題，適合加工如纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料等的高硬度、高脆性材料。目前激光加工纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的研究主要集中在激光的選擇、加工工藝、加工參數(shù)優(yōu)化和材料去除機(jī)理等方面。

激光包括脈沖激光和連續(xù)激光兩類，其中脈沖激光如納秒、皮秒和飛秒激光等的單脈沖能量很高，可以在極短時(shí)間內(nèi)使作用區(qū)域的工件材料溫度上升到材料的熔點(diǎn)或升華溫度，從而達(dá)到去除或改性材料的目的。ZHANG 和LIU 等［59-60］使用皮秒激光加工Cf/SiC 復(fù)合材料微孔，研究了激光參數(shù)如能量密度、掃描速度、填充間距等對(duì)微孔加工質(zhì)量的影響。結(jié)果表明復(fù)合材料的激光鉆孔過程中產(chǎn)生熔渣和等離子體，吸收了部分激光能量，導(dǎo)致微孔呈錐形，微孔出口處圓度較低，加工精度低；同時(shí)微孔周圍和內(nèi)壁上附著熔渣，降低了加工質(zhì)量。ZHAI 等［61］使用皮秒激光在Cf/SiC 復(fù)合材料表面制備微溝槽，發(fā)現(xiàn)激光能量密度對(duì)微溝槽形狀和加工質(zhì)量具有顯著影響，當(dāng)激光能量密度較高時(shí)，微溝槽的形狀精度和加工質(zhì)量較高；使用氬氣保護(hù)可避免微溝槽表面氧化。WANG 等［62］對(duì)比研究了飛秒激光和皮秒激光加工Cf/SiC 復(fù)合材料的加工效率和質(zhì)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)皮秒激光加工的表面呈波浪形，附著有納米氧化物顆粒，表明材料發(fā)生了熱熔融；采用低功率的飛秒激光加工的表面質(zhì)量較高，加工損傷較少。

激光加工中，經(jīng)透鏡透射后的激光束呈錐形，因此激光鉆孔或激光切割的材料截面也呈現(xiàn)錐形，當(dāng)孔深增大或板材厚度增加時(shí)，加工精度越低。劉壯等［63］開展了飛秒激光加工SiCf/SiC 復(fù)合材料厚板的孔型特征研究，表明激光能量密度對(duì)孔深和錐度影響較大，在優(yōu)化激光參數(shù)下，小孔錐度仍然達(dá)到了12.38°。為了進(jìn)一步降低激光鉆孔的錐度，LIU 等［64］開展了Cf/SiC 復(fù)合材料的激光環(huán)鉆制孔試驗(yàn)研究和工藝參數(shù)優(yōu)化，結(jié)果表明環(huán)鉆工藝可有效降低孔的錐度；工藝參數(shù)優(yōu)化后，孔的錐度進(jìn)一步降低，且激光熱影響層厚度降低，如圖10所示。

圖10 激光環(huán)鉆制孔的錐度和熱影響層［64］Fig.10 Taper and HAZ of the holes machined with laser trepan drilling［64］

ZHAI 等［65］研究了飛秒激光加工SiCf/SiC 復(fù)合材料的加工機(jī)理，飛秒激光去除SiCf/SiC 復(fù)合材料是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，包含激光能量的吸收、熱傳導(dǎo)、雪崩電離、等離子體膨脹、液相爆破和其他過程，如圖11所示。當(dāng)激光能量和光斑重疊率較高時(shí)，材料去除過程以光熱效應(yīng)為主導(dǎo)，此時(shí)復(fù)合材料發(fā)生融化并飛濺出來；由于表面張力作用，飛濺出來的熔融物質(zhì)將分散并收縮成為顆粒，從而形成觀察到的火花現(xiàn)象，如圖11（a）所示。當(dāng)激光能量和光斑重疊率較低時(shí)，材料去除過程以光化學(xué)效應(yīng)為主導(dǎo)，此時(shí)復(fù)合材料吸收多光子能量后發(fā)生電離，形成等離子體，如圖11（b）所示。

圖11 飛秒激光加工SiCf/SiC復(fù)合材料機(jī)理和試驗(yàn)觀察［65］Fig.11 Mechanisms and experimental observations of picosecond laser machining of SiCf/SiC composite［65］

2.2 電火花加工

電火花加工技術(shù)（EDM）是通過工件電極和工具電極之間脈沖性火花放電時(shí)的電腐蝕來去除材料，以達(dá)到對(duì)工件尺寸、形狀和表面質(zhì)量要求的加工技術(shù)。

C 纖維和SiC 均為導(dǎo)電材料，YUE 和ZHANG等［66-67］研究了電火花加工Cf/SiC 復(fù)合材料的可行性和材料去除機(jī)理，結(jié)果表明EDM 過程中熱應(yīng)力超過復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度，導(dǎo)致材料發(fā)生破壞而去除，加工表面存在大量的裂紋和材料剝落等加工缺陷。電火花制孔試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生的碎屑會(huì)阻礙加工的進(jìn)行，且碎屑堆積會(huì)導(dǎo)致二次放電，進(jìn)一步降低了加工效率。使用Cu 電極可獲得較高的尺寸精度和表面質(zhì)量，但是電極會(huì)發(fā)生損耗。HE 等［68］開展了電火花線切割2D Cf/SiC 復(fù)合材料試驗(yàn)，表明纖維方向?qū)庸け砻娲植诙染哂酗@著影響。加工缺陷主要包括纖維脫粘、碎屑和重鑄層，且碳纖維產(chǎn)生了微裂紋。

由于纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的導(dǎo)電率較低，且電火花加工過程中碎屑排出效率低，導(dǎo)致材料去除率較低。為了解決上述問題，WEI等［69-70］采用電極振動(dòng)和電介質(zhì)深度沖刷的方法促進(jìn)碎屑排出，材料去除率和加工表面質(zhì)量得到提高。電火花加工SiCf/SiC 復(fù)合材料的試驗(yàn)結(jié)果表明，高極間電壓和低占空比可使碎屑排出效率升高，因此材料去除率得到升高。材料去除過程包括裂紋產(chǎn)生、裂紋擴(kuò)展和材料脫落，基體材料的熱膨脹和非導(dǎo)電纖維斷裂是導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的主要原因。

2.3 磨料水射流加工

磨料水射流加工是以水為介質(zhì)，通過高壓發(fā)生裝置獲得較大能量，通過供料和混合裝置將磨料加入到高壓水射流中，形成固液兩相混合射流，依靠磨料和高壓水射流的高速?zèng)_擊和沖刷，材料局部應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生沖蝕、剪切，實(shí)現(xiàn)材料去除的特種加工方法。磨料水射流加工工藝具有較強(qiáng)的切割加工能力，且對(duì)工件材料的厚度幾乎沒有限制；該工藝產(chǎn)熱少，且高速高壓水射流可時(shí)時(shí)帶走加工產(chǎn)生的熱量，加工幾乎沒有熱損傷；該工藝還具有清潔環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。

焦健等［71］開展了高壓水射流加工SiCf/SiC 復(fù)合材料的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)陶瓷基體被磨料水射流沖蝕，加工表面出現(xiàn)較多冒頭纖維，切割面不平整。高壓射流對(duì)復(fù)合材料工件的高沖擊力導(dǎo)致材料表面處于壓縮狀態(tài)，而其內(nèi)部處于拉伸狀態(tài)。當(dāng)拉應(yīng)力超過材料的拉伸強(qiáng)度時(shí)，材料產(chǎn)生微裂紋，磨料對(duì)材料產(chǎn)生微切削作用而使材料發(fā)生脆性斷裂去除。

3 纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的復(fù)合加工技術(shù)

復(fù)合加工一般定義為在傳統(tǒng)加工工藝中同時(shí)使用另外一種或多種形式的能量以實(shí)現(xiàn)材料去除的加工技術(shù)，如使用熱能（激光加熱）或動(dòng)能（超聲振動(dòng)）［72］。LAUWERS等［73］將復(fù)合加工工藝分為不同能量/工具的組合和不同作用機(jī)理的可控組合兩類，其中前者又分為輔助加工（如激光輔助加工、超聲振動(dòng)輔助加工等）和組合加工（如電火花/電化學(xué)加工等），后者包括磨削硬化等。復(fù)合加工的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)“1+1=3”的效果，即復(fù)合加工工藝既能綜合多種工藝的優(yōu)點(diǎn)，又能克服單個(gè)工藝的缺點(diǎn)，成為機(jī)械加工領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的復(fù)合加工技術(shù)開展了大量的理論分析、有限元仿真和試驗(yàn)研究，主要包括超聲振動(dòng)輔助加工、激光輔助加工、電火花和超聲復(fù)合加工、水射流和激光復(fù)合加工等。研究結(jié)果均表明，相對(duì)于單個(gè)加工工藝，復(fù)合材料的復(fù)合加工中切削力和刀具磨損降低，材料的加工性和加工表面質(zhì)量得到提高。

3.1 超聲振動(dòng)輔助加工

超聲振動(dòng)輔助加工（UVAM）是一種綜合了傳統(tǒng)機(jī)械加工和超聲波技術(shù)的新型復(fù)合加工技術(shù)，是在刀具或工件上施加可控的高頻振動(dòng)，改變刀具與工件之間的接觸和作用狀態(tài)，使刀具與工件發(fā)生周期性的接觸和分離。國(guó)內(nèi)北京航空航天大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、天津大學(xué)、大連理工大學(xué)等單位針對(duì)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的超聲振動(dòng)輔助加工技術(shù)開展了大量研究，研究結(jié)果表明超聲振動(dòng)輔助加工纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料可有效降低切削力，降低刀具與切削間的摩擦因數(shù)，提高加工效率、加工表面質(zhì)量和刀具壽命。國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的超聲振動(dòng)加工，設(shè)計(jì)搭建了超聲振動(dòng)裝置［45，74-76］，開發(fā)了超聲振動(dòng)加工、旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)加工和超聲扭轉(zhuǎn)振動(dòng)加工等工藝［77-81］，并研究了超聲振動(dòng)加工機(jī)理、加工工藝優(yōu)化、刀具失效機(jī)理和損傷抑制方法等。

LIU等［82］研究了超聲振動(dòng)輔助銑削Cf/SiC復(fù)合材料中的切削力和表面質(zhì)量，并與常規(guī)銑削加工進(jìn)行了對(duì)比研究。結(jié)果表明，超聲振動(dòng)輔助銑削的切削力Fx、Fy和Fz分別降低了43.7%、29.16% 和68.09%。BERTSCHE等［83］對(duì)比研究了超聲振動(dòng)輔助磨削和常規(guī)磨削SiCf/SiC復(fù)合材料的切削力、刀具磨損和表面粗糙度，結(jié)果表明與常規(guī)磨削相比，超聲振動(dòng)輔助磨削的切削力降低了20%，刀具磨損降低了36%。

WANG 等［81，84］和LI 等［85］研制了超聲振動(dòng)輔助銼削實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，由超聲波發(fā)生器、變幅桿、換能器、專用刀柄和機(jī)床等構(gòu)成；研究了超聲振動(dòng)輔助銼削Cf/SiC復(fù)合材料，建立了運(yùn)動(dòng)學(xué)模型分析加工機(jī)理，并開展了試驗(yàn)研究。發(fā)現(xiàn)超聲振幅對(duì)切削力和表面質(zhì)量具有顯著影響，隨著超聲振幅的增加，加工表面粗糙度降低。同時(shí)，與常規(guī)銼削和磨削的對(duì)比研究表明，超聲振動(dòng)輔助銼削的加工表面質(zhì)量和形狀精度得到顯著提升，切削力下降了40%～50%，但表面粗糙度高于常規(guī)磨削。

旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)加工（RUM）在旋轉(zhuǎn)刀具的軸向施加超聲振動(dòng)，即超聲振動(dòng)方向與切削速度方向垂直。DING 等［86］研究了旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)輔助鉆削Cf/SiC 復(fù)合材料的切削力、扭矩和鉆孔質(zhì)量，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)與未施加超聲振動(dòng)相比，施加超聲振動(dòng)后鉆削力和扭矩分別降低了23%和47.6%，且鉆孔質(zhì)量得到提高，表面粗糙度降低了23%，如圖12所示。為了進(jìn)一步降低RUM 鉆削Cf/SiC 復(fù)合材料的撕裂缺陷，WANG 等［87］采用階梯錐套料鉆加工Cf/SiC 復(fù)合材料，由于錐面的再加工效應(yīng)，軸向力降低，孔出口的缺陷降低。旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)輔助鉆削試驗(yàn)表明，使用階梯錐套料鉆加工的孔出口撕裂尺寸平均降低了30%，且增大超聲振幅可進(jìn)一步提高孔出口質(zhì)量。XUE 等［88］研究了采用旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)輔助銑削加工的Cf/SiC 復(fù)合材料的疲勞特性，由于超聲振動(dòng)的作用，加工表面的殘余壓應(yīng)力最高可達(dá)2 GPa，因此抑制了界面裂紋，并阻礙了纖維裂紋的擴(kuò)展。與常規(guī)銑削加工的Cf/SiC 復(fù)合材料相比，旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)輔助銑削加工的Cf/SiC 復(fù)合材料的疲勞損傷率降低了80.5%，且疲勞試驗(yàn)后剩余拉伸強(qiáng)度可達(dá)95.8%。綜上可知，旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)輔助加工不僅可以降低切削力，提高加工質(zhì)量，還可以提高材料的使役性能，對(duì)擴(kuò)大復(fù)合材料的應(yīng)用具有重要的意義。

圖12 旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)輔助鉆削［86］Fig.12 Schematic diagram and experimental results of rotary ultrasonic machining［86］

超聲扭轉(zhuǎn)振動(dòng)（UTV）加工是在刀具繞主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)對(duì)刀具的主運(yùn)動(dòng)方向施加超聲振動(dòng)，即超聲振動(dòng)方向與切削速度方向相同。姜慶杰［89］開展了超聲扭轉(zhuǎn)振動(dòng)銑削Cf/SiC 復(fù)合材料的試驗(yàn)研究，建立了超聲扭轉(zhuǎn)振動(dòng)銑削的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，分析了切削力、加工質(zhì)量和刀具磨損。結(jié)果表明，超聲扭轉(zhuǎn)振動(dòng)銑削的切削力明顯降低，該工藝可有效抑制毛刺、崩邊等加工缺陷，減緩刀具磨損。WANG 等［90］研究了縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)輔助鉆削Cf/SiC 復(fù)合材料，將軸向超聲振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)同時(shí)施加于刀具上，與軸向超聲振動(dòng)輔助鉆削相比，該工藝的鉆削力降低了50%，顯著提高了鉆削效率，抑制了分層缺陷。

綜上所述，與常規(guī)切削相比，超聲輔助作用降低了切削力和刀具磨損，提高了加工表面質(zhì)量，同時(shí)可以提高材料的疲勞性能。但針對(duì)超聲振動(dòng)輔助加工纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的作用機(jī)理，目前尚無統(tǒng)一定論。ZHANG 等［91］揭示了超聲振動(dòng)對(duì)金剛石刀具磨損的影響機(jī)制，即超聲振動(dòng)加工過程中，由于刀具和工件斷續(xù)接觸，工件待加工表面材料發(fā)生氧化生成氧化膜，降低了金剛石刀具石墨化速率。

3.2 激光輔助加工

激光輔助加工（LAM）是利用激光的熱效應(yīng)軟化待加工區(qū)域材料，在材料軟化狀態(tài)下使用刀具將其去除，從而降低了切削力，提高了材料的切削加工性。目前國(guó)內(nèi)未見關(guān)于激光加熱輔助加工在纖維增強(qiáng)SiC 陶瓷基復(fù)合材料領(lǐng)域的研究報(bào)道。ROZZI等［92］研究了激光加熱輔助銑削Cf/SiC復(fù)合材料工藝，使用228 W 連續(xù)激光輻照待加工材料，在材料軟化狀態(tài)用PCD 刀具將其去除；與常規(guī)銑削相比，新工藝的切削力降低了40%。但是，由于激光功率高，刀工接觸區(qū)溫度高達(dá)1 000 ℃，超過了金剛石材料的石墨化溫度，PCD刀具的切削性能勢(shì)必受到影響。

圖13 激光輔助加工原理示意圖［92］Fig.13 Schematic diagram of laser assisted machining［92］

ERDENECHIMEG 等［93］研究了激光加熱輔助銑削Cf/SiC 復(fù)合材料過程的切削力和加工表面粗糙度。在激光輻照下，待加工區(qū)域工件材料的溫度升高（1 100～1 300 ℃），強(qiáng)度降低。在相同的切削用量下，與常規(guī)銑削工藝相比，LAM 工藝的切削力降低了40.7%，表面粗糙度降低了33.8%。ZHOU 等［94］試驗(yàn)研究了激光燒蝕輔助砂帶磨削Cf/SiC 復(fù)合材料的磨削力、磨削溫度和加工表面粗糙度。激光光斑中心的瞬時(shí)最高溫度可達(dá)3 000 ℃，超過了SiC 基體材料的分解溫度（約2 700 ℃）和C 纖維的升華溫度（約2 800 ℃），中心向外有較大溫度梯度。激光光斑中心區(qū)域復(fù)合材料被迅速蒸發(fā)，光斑周圍的復(fù)合材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成疏松且均質(zhì)的熔融層（SiO2和再結(jié)晶的SiC），因此材料的加工性得到提高。該工藝的磨削力、磨削溫度和表面粗糙度分別降低了47%、40%和26%，砂帶的磨粒磨損顯著降低。

XU 等［95］對(duì)比研究了激光加熱輔助微細(xì)切削和常規(guī)微細(xì)切削Cf/SiC 復(fù)合材料的加工缺陷和表面粗糙度，表明激光輔助切削可有效抑制毛刺、凹坑等加工缺陷，加工表面粗糙度Sa可達(dá)3.841 μm。DONG等［96］開展了激光加熱輔助微細(xì)銑削SiCf/SiC 復(fù)合材料的研究，探索了激光加熱溫度（激光輻照區(qū)域工件材料的平均溫度）對(duì)立方氮化硼微細(xì)銑刀的磨損和壽命的影響規(guī)律，分析了工藝的經(jīng)濟(jì)性。結(jié)果表明，在激光加熱輔助作用下，刀具磨損降低了76%，刀具壽命提高了3.8 倍；隨著激光加熱溫度的升高，刀具磨損逐漸降低。與常規(guī)微細(xì)銑削工藝相比，在激光加熱輔助微細(xì)銑削工藝中，當(dāng)激光加熱溫度為1 307 ℃時(shí)，加工成本降低了32.3%。

由上述研究可知，在激光加熱輔助作用下，復(fù)合材料的切削力得到顯著降低，進(jìn)而刀具磨損和加工缺陷降低。但是，纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的熔點(diǎn)高、硬度高，材料軟化、熔化甚至氣化所需的溫度很高，現(xiàn)有研究中激光加熱溫度均高于1 000 ℃。一方面激光熱影響區(qū)較大，材料的物理力學(xué)性能發(fā)生改變，后續(xù)仍要將熱影響區(qū)材料去除方可獲得所需表面；另一方面，高溫會(huì)降低刀具的切削性能，尤其針對(duì)金剛石刀具或金剛石涂層刀具，高溫將導(dǎo)致金剛石發(fā)生石墨化。WANG等［97］在研究激光加熱輔助加工金屬材料時(shí)發(fā)現(xiàn)，雖然激光加熱輔助下切削力降低、刀具磨損速率降低，但是高溫導(dǎo)致刀具剛度變?nèi)醪l(fā)生熱膨脹，加工過程中容易發(fā)生跳動(dòng)，降低了加工精度。為了解決上述問題，ZHAO等［98-109］提出了激光誘導(dǎo)氧化輔助加工新方法，使用脈沖激光輻照待加工區(qū)域工件材料，并輔助通氧，誘導(dǎo)材料與氧氣發(fā)生可控氧化反應(yīng)，生成疏松多孔的氧化層，顯著提高了材料的切削加工性。使用刀具快速去除氧化層，大幅度提高加工效率。材料氧化所需溫度較低，即所需激光功率較低，因此激光的熱影響區(qū)較小，在精加工階段僅去除很小余量的材料即可獲得所需表面。由于激光功率低，且通過調(diào)節(jié)激光參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氧化層尺寸的調(diào)控，因此該工藝的可控性高，為纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料高效高質(zhì)量加工提供了新途徑。

3.3 激光水射流加工

激光水射流加工（LWJM）是通過專用裝置將激光束完全包含在水射流中，激光在水射流和空氣界面處發(fā)生反射，沿著水射流路徑傳播，最終作用到工件表面（圖14）［110］。由于水是光密介質(zhì)，空氣是光疏介質(zhì)，基于全反射原理，當(dāng)激光束從水射流進(jìn)入到界面處時(shí)會(huì)發(fā)生全反射，因此水導(dǎo)激光原理上類似于光纖，激光能量全部作用到工件表面上，不會(huì)穿過水射流而損失。水射流冷卻切削區(qū)，減小了激光熱影響區(qū)；同時(shí)水射流將切屑沖刷帶走，避免了切屑累積或重凝在加工表面。

圖14 激光水射流加工原理示意圖［110］Fig.14 Schematic diagram of laser water jet machining［110］

徐俊杰［111］開展了SiCf/SiC 復(fù)合材料的水導(dǎo)激光加工工藝基礎(chǔ)研究，搭建了納秒綠光為激光光源的高耦合水壓水導(dǎo)激光加工系統(tǒng)，并進(jìn)行了劃槽切割和打孔試驗(yàn)研究。采用多道直線的加工方式，切斷了厚度為3 mm 的SiCf/SiC 復(fù)合材料，斷面未發(fā)現(xiàn)重凝層和熱影響區(qū)，僅發(fā)現(xiàn)少部分纖維斷口有不同方向的臺(tái)階形貌，如圖15所示。水導(dǎo)激光打孔時(shí)，采用螺旋軌跡加工了直徑為1 mm 的孔，入口和出口的圓度較高，沒有毛刺產(chǎn)生，但是孔內(nèi)壁生成了較薄的重凝層。但是，水射流的穩(wěn)定性對(duì)激光水射流加工具有較大影響，且當(dāng)水射流會(huì)在復(fù)合材料表面形成一層水膜，阻礙了激光對(duì)材料的充分燒蝕。為了解決這個(gè)問題，BAI 等［112］提出了同軸螺旋氣體輔助激光水射流加工技術(shù)（CGALWJ），以SiCf/SiC 復(fù)合材料為加工對(duì)象，開展了理論分析和試驗(yàn)研究。同軸螺旋氣體的作用一方面保證了水射流的穩(wěn)定性，提升了激光水射流的加工能力；另一方面，氣體促進(jìn)了水快速從加工區(qū)域排出，并將切屑沖刷出來，阻止了切屑滯留和重鑄層的生成，因此該工藝可以進(jìn)一步提高加工效率和加工質(zhì)量（圖16）。

圖15 水導(dǎo)激光加工SiCf/SiC復(fù)合材料的斷口形貌［111］Fig.15 Sectional morphology of the SiCf/SiC composite machined with water jet guided laser machining［111］

圖16 LWJ加工和CGALWJ加工效果對(duì)比示意圖［112］Fig.16 Schematic diagrams of LWJ machining and CGALWJ machining［112］

4 總結(jié)與展望

FRCMC-SiC 復(fù)合材料具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性能，在航空航天、軌道交通、核工業(yè)和高性能光學(xué)系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。該類復(fù)合材料普遍采用近凈成形的制備方法，但是為了保證復(fù)合材料構(gòu)件的使役性能、安全性和可靠性，一般需要對(duì)制備后的材料進(jìn)行機(jī)械加工以獲得較高的尺寸精度、形位精度和表面質(zhì)量。復(fù)合材料具有高硬度、大脆性、各向異性和非均質(zhì)性等特點(diǎn)，是一種典型的難加工材料，給機(jī)械加工帶來了挑戰(zhàn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞Cf/SiC和SiCf/SiC 復(fù)合材料的常規(guī)機(jī)械加工、特種加工和復(fù)合加工工藝進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。

在常規(guī)機(jī)械加工技術(shù)中，磨削加工可獲得較高的表面質(zhì)量和加工精度，但是其材料去除效率普遍較低（＜1 cm3/min）。切削加工由于高切削力和高切削溫度，同時(shí)切削過程不穩(wěn)定，刀具壽命普遍較短，換刀頻率高且刀具成本高；提高切削速度雖可降低切削力，但是進(jìn)給速度和背吃刀量必須保持較低水平，限制了材料去除率的提升。通過前期調(diào)研分析，Cf/SiC 復(fù)合材料銑削加工的最高去除率為1.6 cm3/min（n=8 000 r/min，f=200 mm/min，ap=0.8 mm，Φ10電鍍金剛石刀具）。由此可見，加工效率依然是制約FRCMC-SiC 在航空航天高端裝備關(guān)重結(jié)構(gòu)件中廣泛應(yīng)用的主要因素。

在特種加工技術(shù)中，激光加工的研究最多，工藝主要集中在激光制孔和激光加工表面微結(jié)構(gòu)。激光能量作用集中，易于調(diào)控，尤其是脈沖激光的能量密度很高，可在極短時(shí)間內(nèi)將作用區(qū)域材料熔融或氣化，因此激光加工的材料去除率較高。但激光加工復(fù)合材料的表面質(zhì)量和形狀精度較差，飛濺出來的熔渣會(huì)附著在材料表面，降低了表面質(zhì)量；激光加工存在熱影響區(qū)，改變了材料的物理化學(xué)性能。激光束呈錐形結(jié)構(gòu)，加工的結(jié)構(gòu)形狀也存在錐度，加工精度較低。

在復(fù)合加工技術(shù)中，超聲振動(dòng)輔助加工具有較低切削力和切削溫度、較高加工質(zhì)量，還可有效抑制毛刺、撕裂等加工缺陷，成為復(fù)合材料加工研究的熱點(diǎn)。但是受到超聲臨界速度的限制，其提高加工效率的能力仍然有限。激光加熱輔助加工雖可克服復(fù)合材料高硬度帶來的高切削力難題，但是復(fù)合材料軟化所需的激光能量很高，激光熱影響區(qū)較大，工藝可控性差。同時(shí)，高溫會(huì)降低刀具的切削性能，降低加工精度。

現(xiàn)有研究在加工工藝、刀具優(yōu)選、工藝參數(shù)優(yōu)化和表面形成機(jī)制等方面取得了一些有意義的結(jié)果，證明通過合理的工藝控制可以解決復(fù)合材料加工的部分難題，但仍不能獲得高效、精密和無損傷加工。隨著FRCMC-SiC 復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的逐步擴(kuò)大和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件性能的逐漸提高，對(duì)復(fù)合材料高效精密加工的需求日益迫切。根據(jù)本文的綜述分析，后續(xù)FRCMC-SiC 復(fù)合材料的加工研究可從以下幾個(gè)方面開展：

（1）加工刀具方面，缺乏基于刀具和復(fù)合材料切削特性匹配性的專用金剛石刀具技術(shù)。目前研究表明金剛石刀具是加工纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的理想刀具，但相關(guān)研究仍然停留在針對(duì)現(xiàn)有金剛石刀具進(jìn)行選型并開展切削試驗(yàn)，而缺乏金剛石刀具材料與結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料切削特性的影響規(guī)律的研究，復(fù)合材料加工專用刀具的設(shè)計(jì)與制備缺乏理論指導(dǎo)；

（2）質(zhì)量表征方面，由于復(fù)合材料的各向異性和非均質(zhì)性，F(xiàn)RCMC-SiC 的加工表面及亞表面微觀組織和損傷形式等與金屬材料不同，因此金屬材料加工質(zhì)量表征方法不完全適用于陶瓷基復(fù)合材料，需要開發(fā)FRCMC-SiC 復(fù)合材料特定的加工質(zhì)量表征技術(shù)；

（3）加工質(zhì)量與材料使役性能的映射關(guān)系尚不明確，現(xiàn)有研究重點(diǎn)關(guān)注加工工藝參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量的影響規(guī)律，而缺乏加工質(zhì)量對(duì)材料使役性能如承載、抗氧化、疲勞、蠕變等影響，需要加強(qiáng)加工工藝與全壽命周期使用可靠性、性能壽命等關(guān)聯(lián)關(guān)系研究。