碳化硅陶瓷基复合材料加工技术研究进展.pdf

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1、钐论坛FORUM碳化硅陶瓷基复合材料加工技术研究进展米王晶，成来飞，刘永胜，刘小瀛，张青(西北工业大学超高温结构复合材料重点实验室，西安710072)【摘要】碳化硅陶瓷基复合材料(CMC-SiC)是一种新型战略性热结构材料，在航空、航天、核能等高新技术领域具有广阔应用前景。但CMC-SiC材料硬度高、不导电等特性决定了实现其高精度、高质量加工较为困难。综述了CMC-SiC材料的传统加工和特种加工工艺的研究现状与进展，重点阐述了激光加工陶瓷及CMC—SiC材料的加工机理和加工效果。最后，指出了CMC—SiC材料加工技术的发展趋势。关键词：碳化硅

2、陶瓷基复合材料；激光加工；加工机理DoI：10．16080巧．issnl671．833x．2016．15．050王晶博士研究生。就读于西北工业大学超高温结构复合材料重点实验室。研究方向为陶瓷基复合材料制备工艺与精密加工技术研究。碳化硅陶瓷基复合材料(CMC—SiC，包含SiC／SiC和C／SiC两种材料)·基金项目：国家重大科学仪器设备开发专项(2011YQl2f107504)；国家自然科学基金项目(51302220,51472201，51032006)；中央高校基本科研(3102015BJ(11)MYZ26o50航空爿造技术·2016年第1

3、5期具有低密度、高比强、高比模、耐高温、耐磨损和耐化学腐蚀等优点【l。51，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、能源、交通等领域具有广泛应用前景16-1I]o二次加工是CMC—SiC复合材料及其构件制备过程中不可或缺的重要环节，尤其是随着实际服役环境的日益苛刻，CMC—SiC复合材料的超精细微纳加工的要求越来越高：如用于制造涡轮整体叶盘和涡轮静子件及发动机调节片等精密构件、航空发动机燃烧室火焰筒和涡轮叶片的气膜冷却孔(直径300～700斗111)、核包壳管的封装微孔等，加工质量的高低将严重影响结构件的力

4、学性能和使用性能。但是，CMC—SiC复合材料是一种难加工材料，其硬度为2840-3320kg／mm2，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[12-13]。因此，寻找一种高精度、高质量的加工手段一直是研究人员所追求的热点。本文综述了CMC—SiC复合材料加工方法的研究进展，并分析了传统加工与特种加工的优缺点，最后指出激光加工技术在CMC—SiC复合材料加工方面体现出强大的发展潜力。同时，对激光加工技术的原理与加工工艺进行了分析，重

5、点介绍了超短脉冲激光加工CMC—SiC复合材料的这一“冷”加工技术在微、精、细加工等领域的独特优势，为该技术在CMC—SiC复合材料的应用提供理论依据和试验支撑。CMC—SiCtw'r技术CMC—SiC复合材料的二次加工技术是促进其应用产业化的关键因素。美国国家航空航天局(NASA)在{21世纪的航空技术》报告中曾表示，在其发动机材料研究规划中要优先发展陶瓷基复合材料的制备工艺及其加工技术n41。目前，可用胁。。m。。。哪k。咖蜘，吖c唧。∽复合材料先进加工技术于CMC—SiC复合材料的加工方法主要有传统的机械加工、高压水射流加工、超声波加工

6、、电火花加工和激光加工等[15-271。1传统机械加工技术传统机械加工主要是指对CMC—SiC复合材料进行车削、切削、磨削、钻孑L等，其方法具有工艺成熟、操作简单、加工效率高及设备投入少等特点，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，发展了CMC—SiC材料的机械加工技术，解决了大型复杂薄壁构件的切割、打孑L、打磨、抛光等加工技术难题(图I)。王平等ll81研究了C／Sic陶瓷基复合材料的车削加工工艺，证明了利用传统机械加工方式加工C／SiC复合材料的可行性。但该方法也存在刀具(钻头)磨损过快，材料表面受到机械应力作

7、用，容易在材料表面产生凹坑、毛刺、撕裂等问题(见图2【l9

8、)，严重制约了加工质量与加工精度，同时加工过程产生大量碎屑和粉尘，加工环境有待改善。2特种加工技术为了解决上述传统机械加工方法由于刀具磨损与切削热引发的加图1传统机械加工的CMC—SiC复合材料构件Fig．1CMC-SiCcompositestructuremachinedbytraditionaltechnology工精度、表面质量、生产环境等问题，特种加工技术逐渐发展起来。特种加工技术区别于传统加工方法，属于非接触式加工，成功应用于CMC—SiC复合材料的特种加工技术包括高压水射

9、流法、超声加工技术、电火花加工技术、激光加工技术。高压水射流法能够克服传统机械加工的部分缺点，对加工样品的厚度几乎没有限制，且加工阻力较小，不易出现撕裂和分层现象。