纖維增強SiC陶瓷基復合材料加工技術研究進展

袁 芳 徐 亮 趙國龍 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，先進功能復合材料技術重點實驗室，北京 100076）

（2 南京航空航天大學，機電學院，南京 210016）

0 引言

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

FRCMC-SiC 復合材料的研究和發展已超過半個多世紀，國外從20世紀70年代后期開始一直致力于該類材料的設計、工藝、考核及應用研究。法國Snecma 公司生產的調節片、密封片在700 ℃工作100 h，減重50%，疲勞壽命優于高溫合金，已在航空發動機實現裝機使用，在超燃沖壓發動機燃燒室、進氣道前緣、主動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，Cf/SiC復合材料在X-37B、X-38、IXV 等飛行器頭錐、鼻錐帽、迎風面蓋板、控制舵等部分得到應用，替代原有金屬防熱系統實現結構減重和耐溫等級提升，為飛行器設計和實現提供了基礎與保障。其中，X-37B已成功完成5 次飛行試驗，累積在軌時間達到2 865 d，表明Cf/SiC 復合材料在重復使用天地往返飛行器領域具有較好的應用潛力［6-7］；IXV 已成功完成首次高速再入飛行試驗，飛行器表面最高溫度接近1 649 ℃，飛行試驗持續約100 min，除了驗證飛行器的機動性和制導性能以外，也考察了包括Cf/SiC 復合材料在內的熱防護系統的安全性和可靠性［8-10］。除此之外，國外在FRCMC-SiC 復合材料在衛星支架、空間光學系統、裝甲防護、核聚變反應堆、燃氣輪機熱端部件、高性能跑車剎車系統等領域也開展了大量基礎研究和應用技術工作，部分已實現成功應用。

國內從20世紀末開始開展FRCMC-SiC 復合材料研究，經過近30年的發展，相關科研院所和工業部門在高性能連續纖維研發技術、復合材料制備工藝、界面設計與微結構控制、表面抗氧化技術等方面開展了大量研究工作。西北工業大學多年來一直從事FRCMC-SiC 復合材料化學氣相浸滲工藝研究，解決了基于增強纖維、界面相、基體與涂層的微結構單元強韌化協同問題，在薄壁結構件的成型和致密化方面具有較為成熟的工藝技術［1，5，11］。航天材料及工藝研究所、上海硅酸鹽研究所、國防科技大學、沈陽金屬研究所、中航復合材料有限公司、航天非金屬材料研究所、中南大學等單位在FRCMC-SiC 復合材料前驅體浸漬/裂解法（PIP 法）、化學氣相浸滲法（CVI法）、反應熔滲法（RMI 法）研究比較深入，基本形成了適用不同微觀結構、不同性能水平、不同尺寸量級、不同使用需求條件的復合材料體系和制備工藝技術［12-15］。目前，國內FRCMC-SiC 正處于全面發展和應用階段。

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，導致材料存在高硬度、大脆性和各向異性特點，使得高精度低損傷加工技術成為這類材料工程應用必須解決的關鍵技術之一，特別是對于航空航天具有復雜曲面、凹腔、溝槽、孔洞、臺階等結構更是如此［16-17］。本文主要綜述近年來纖維增強SiC 陶瓷基復合材料加工技術研究進展，綜合和分析不同加工方法加工原理、理論模型構建、工藝參數優化、表面質量控制與損傷形成機制等，討論現有研究存在的主要問題，對未來研究方向提出展望。

1 纖維增強陶瓷基復合材料的常規機械加工技術

纖維增強陶瓷基復合材料的常規機械加工技術主要包括磨削、銑削、車削和鉆削等，國內大連理工大學、天津大學、南京航空航天大學、航天材料及工藝研究所、東北大學、華僑大學等單位圍繞上述常規機械加工技術開展了系統深入研究，重點主要集中在工藝參數優化、材料去除機理、刀具優選和刀具失效機理等方面。

1.1 磨削加工

磨削是纖維增強陶瓷基復合材料構件獲得最終加工表面和尺寸精度的常用機械加工工藝，現有研究主要針對復合材料的磨削特性、纖維方向角對材料磨削過程的影響、加工表面質量和磨削去除機制等方面開展。張立峰等［18-22］研究了Cf/SiC 復合材料的磨削特性，建立了磨削力預測模型并開展了金剛石砂輪磨削試驗，分析了纖維方向角、磨削用量等對磨削力和加工表面質量的影響，揭示了磨削機理。結果表明磨削用量對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給速度的增大而增大；纖維方向角對材料去除方式和加工表面粗糙度有較大影響；復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磨削力和磨削表面質量的影響，結果表明提高砂輪速度可提高加工表面質量，而當纖維方向角為0°時切削力最大，纖維方向角不同時材料去除機制不同。TAWAKOLI 等［24］對比分析了常規磨削和斷續磨削兩種方法加工Cf/SiC 復合材料的磨削力和表面質量，結果表明斷續磨削可減少劃擦和犁耕效應，降低磨削比能，從而獲得了較高的表面質量，加工表面粗糙度Ra可達0.3 μm（目前文獻報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磨削力和表面質量的影響規律，結果表明提高磨削速度可降低磨削力、提高表面質量，不同纖維方向角時加工表面粗糙度不同，如圖1所示。

圖1 不同磨削纖維角時2D Cf/SiC復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］

在磨削機理方面，單顆磨粒劃擦實驗是研究磨削機理的主要方法。LI 等［28］開展了單向Cf/SiC 復合材料的單顆磨粒劃擦實驗，結果表明復合材料發生脆性斷裂，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驗研究了2D Cf/C-SiC 復合材料的磨削機理，發現復合材料以脆性模式去除，即基體產生裂紋，基體/纖維脫粘和纖維斷裂，而磨粒切入角對纖維束的去除形式有較大影響（圖2）當磨粒沿經向和緯向切入時，受磨粒擠壓作用，纖維束和基體發生大面積脫粘，纖維束呈大塊斷裂；當磨粒沿法向切入時，纖維束發生剪切斷裂或彎曲斷裂，此時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SiCf/SiC復合材料去除機理影響的研究，結果表明沿纖維經向，高速磨削時纖維發生脆性斷裂，基體發生撕裂；而在低速磨削時，纖維發生犁耕現象，基體發生涂抹。沿纖維緯向，高速磨削時纖維被完全去除；而低速磨削時發現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 復合材料實驗發現，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時，SiC 基體和SiC 纖維還發生了塑性斷裂，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復合材料的磨削性能，國內外學者將微量潤滑（MQL）技術應用到Cf/SiC復合材料的磨削加工中。ADIBI等［31］對比研究了干磨削、MQL磨削和使用切削液磨削Cf/SiC復合材料的磨削力和加工表面質量，結果表明MQL作用下磨削力最小、砂輪磨損最低、加工質量最高。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復合材料過程中MQL的作用機制，其工藝原理示意圖如圖4所示。磨削過程中，微量潤滑液體進入工件材料的缺陷區域，如纖維拔出孔和基體裂紋處，磨削熱導致水蒸發，帶走大量的熱量，從而降低了磨削溫度。同時，潤滑介質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，微量潤滑磨削的表面粗糙度最小，加工質量最優，如圖5所示。

圖4 微量潤滑磨削Cf/SiC復合材料［32］Fig.4 MQL grinding of Cf/SiC composite［32］

圖5 干磨削、濕磨削和MQL磨削Cf/SiC復合材料的Sa對比［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，即使纖維增強陶瓷基復合材料結構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量巨大，對高效制孔提出了迫切需求。纖維增強陶瓷基復合材料結構件連接裝配后，通常無法采用二次復合工藝消除連接間隙和材料缺陷，因此高精度高質量制孔成為保障裝配可靠性的關鍵。國內外學者針對纖維增強陶瓷基復合材料的制孔工藝建模、參數優化、材料去除機理等方面開展了大量研究。

畢銘智［34］采用高速鋼、硬質合金、PCD 和電鍍金剛石刀具鉆削三維針刺Cf/SiC 復合材料的對比試驗表明，PCD 刀具加工獲得的孔質量和精度最高，軸向力比高速鋼和硬質合金分別低60%和46%，PCD 刀具壽命是硬質合金刀具的4 倍。鉆削軸向力隨主軸轉速提高而降低，隨進給速度提高而增加，且進給速度對軸向力影響最大。孔壁有毛刺，孔出口產生了崩邊缺陷。張國棟等［35］開展了釬焊金剛石鉆頭鉆削C/C-SiC 復合材料試驗，研究了鉆削用量，即鉆頭轉速和進給量對鉆削力和孔出入口質量的影響規律。結果表明，鉆削力隨著轉速的增加而降低，隨著進給量的增加而升高；鉆削力對孔質量有顯著影響，且孔的入口質量比出口質量高。鉆孔過程中，由于孔出口處材料處于單邊約束狀態，在鉆頭的推擠作用下，孔出口處常常產生撕裂或崩邊等缺陷。為了解決上述問題，XING 等［36］在C/C-SiC 復合材料鉆孔試驗中，在材料出口側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）。鉆削參數對鉆削力、孔質量和刀具磨損具有顯著影響，隨著鉆削速度的提高和進給量的降低，鉆孔質量升高。纖維方向和切削速度方向對加工質量有較大影響，當兩方向夾角為90°～180°時，加工導致材料分層減弱。

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

由于纖維增強陶瓷基復合材料具有高硬度、各向異性和非均質性等特性，其鉆削過程中鉆削力呈現不對稱性，容易導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復合材料特性的鉆削力模型，如圖7所示，并開展了鉆削試驗研究。材料的高硬度導致高鉆削力，材料的各向異性和非均質性導致鉆削過程中產生徑向分力；材料不同部位處纖維、基體和氣孔的體積分數不同，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制，DIAZ等［38］采用拉曼光譜法檢測了SiCf/SiC復合材料鉆削過程中由于機械應力和熱應力而導致的材料應變，探明了材料特性對加工過程的影響。SiC纖維以脆性去除為主，加工獲得的殘余應力為拉應力，因此熱應力梯度是導致纖維應變的主要原因。而SiC基體以塑性去除為主，加工獲得的殘余應力為壓應力，因此機械應力是導致基體應變的主要原因。

圖7 復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）是使用高速旋轉的立銑刀沿著螺旋線軌跡進給，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給，將工件材料逐層銑削去除，因此比常規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，切削區域不封閉，散熱條件好，易于排屑，因此比常規鉆削的切削溫度低，且一把刀具可以加工多種規格的孔。張瑾瑜等［39］對比研究了Cf/SiC 復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復合材料鉆孔和螺旋銑孔的出入口質量［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量和精度，但其加工效率依然較低，當材料去除量較大時，使用銑削刀具加工纖維增強陶瓷基復合材料可大幅度提高加工效率。現有研究結果表明，金剛石刀具是加工陶瓷基復合材料的理想刀具，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量［40-45］。HU 等［46］使用PCD 刀具銑削二維Cf/SiC 復合材料的研究表明，隨著銑削速度的增加，切削力和加工表面粗糙度均降低，而進給速度對切削力和加工表面粗糙度的影響趨勢則相反；材料去除機理為纖維斷裂、基體破碎和纖維-基體脫粘；當纖維方向角為90°時加工表面質量最優（表面粗糙度Sa為2.028 μm）。何濤等［47］研究了PCD 刀具銑削Cf/SiC 復合材料的表面完整性，結果表明提高切削速度能改善表面質量，增大切深會使表面質量嚴重惡化，加工表面存在纖維層狀脆斷、拔出和纖維束斷裂等缺陷。

現有針對纖維增強陶瓷基復合材料銑削加工的研究大多集中在工藝參數對切削力和加工質量的影響，并對工藝參數進行優化，而忽略了切削溫度的研究。復合材料對加工冷卻條件要求苛刻，若使用切削液來降低切削溫度，則切削液會滲入材料固有的孔洞中，在刀具的擠壓作用下，孔洞內的切削液會導致裂紋萌生并向材料內部擴展，造成嚴重的亞表層損傷。因此，復合材料必須在干切削或近干式切削條件下加工，由于復合材料的高硬度和強耐磨性，切削溫度高，不僅導致刀具磨損速率快，而且降低了加工質量。徐亮等［48-50］開展了低溫銑削纖維增強陶瓷基復合材料的相關研究，搭建了低溫加工裝置，對比研究了干切削、液氮和低溫CO2冷卻銑削Cf/SiC 復合材料的切削力、切削溫度、刀具壽命和加工表面質量，研究了材料去除機理和刀具失效機理（圖9）。研究結果表明，干切削Cf/SiC 復合材料的切削溫度可達700 ℃，且切削力大、刀具失效快，導致加工損傷嚴重。低溫介質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。低溫銑削中復合材料以脆性去除為主，PCD 刀具磨損機理主要是磨粒磨損。張健強［51］研究了液氮和室溫條件下Cf/SiC 復合材料的拉伸、彎曲強度和微觀組織演變，表明兩種溫度下復合材料的力學性能相當，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，而且對復合材料的性能沒有影響，在復合材料加工領域具有良好應用前景。SHYAM 等［52］開展了MQ 銑削Cf/SiC 復合材料的試驗研究，對比分析了自制的蔬菜基綠色切削油（vegetable-based green cutting fluid）和商業化石油基礦物油對加工質量的影響。結果表明自制的綠色切削油可獲得更高的加工表面質量，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復合材料加工試驗結果［48-50］Fig.9 Machined experimental results of Cf/SiC composite［48-50］

刀具被譽為工業的“牙齒”，在纖維增強陶瓷基復合材料的常規機械加工中，刀具材料和結構對于加工效率、加工質量具有重要影響。刀具材料方面，王平等［40］選用人造金剛石聚晶車刀對Cf/SiC 復合材料進行車削加工試驗，研究表明選取適合的刀具和切削參數能夠有效保證Cf/SiC 復合材料的加工質量，加工Sa達到了6.3 μm，尺寸精度達到0.03 mm。加工刀具的改進作為提高Cf/SiC 復合材料加工質量和加工效率的重要途徑之一，使得學者們也紛紛對適用于Cf/SiC 復合材料加工的刀具進行了研究。向道輝等［53］制備了碳纖維復合材料專用CVD金剛石涂層刀具，并對比了該CVD 金剛石涂層刀具與普通硬質合金刀具的鉆削性能。畢智銘等［34］選用高速鋼刀具、普通硬質合金刀具、PCD 刀具和電鍍金剛石刀具分別對Cf/SiC 復合材料進行鉆削、銑削加工試驗，確定了PCD刀具是加工Cf/SiC復合材料的最佳刀具，并分析了工藝參數對加工質量的影響。吳煜斌等［54］試驗分析了金剛石銑刀、硬質合金銑刀、金剛石磨棒和超硬銑刀加工Cf/SiC 復合材料的切削性能，結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，提高亞表面質量。相關研究表明，相比于傳統的硬質合金刀具和涂層刀具等，PCD 刀具更為適合碳纖維增強陶瓷基復合材料的加工，但是研究僅停留于對比不同結構、材料的刀具的加工性能，確定適用于纖維增強復合材料加工的刀具材料種類，即針對現有刀具進行選型，開展切削匹配性研究。

刀具結構研究方面，陳杰等［55］研究了PCD 刀具幾何參數對2D Cf/SiC 復合材料銑削力、表面粗糙度和加工缺陷的影響規律。結果表明，刀具前角和鈍圓半徑對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。當刀具前角為3°，后角為20°，刃口鈍圓半徑為10 μm 時，加工質量最優。ZOU等［56］采用PCD 刀具對2D Cf/SiC復合材料進行了鉆削加工，分析了鉆頭后角以及頂角分別對鉆削性能的影響。LACALLE 等［57］通過試驗，研究了不同涂層“菠蘿”刃銑刀銑削復合材料時的切削加工性能。并分析材料加工缺陷產生的原因，“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域溫度高，涂層易脫落，刀具磨損嚴重而無法繼續使用。

另外，LACALLE 等［57］還通過優化刀具結構來改變軸向力方向的方法，設計了壓迫式立銑刀。側刃呈左右旋反向結構，切削刃沿軸向具有左旋和右旋的螺旋槽，切削時可將工件材料置于螺旋角交叉處，通過改變銑削加工時的軸向力方向，從而實現抑制材料分層的目的。該銑刀能夠有效抑制復合材料銑削加工時的加工缺陷，但是因為切削刃較長，銑削復合材料時切削力大，刀具磨損快。苗光等［58］針對復合材料的銑削加工，設計了一款交錯PCD 立銑刀。將四個傾角方向不同的PCD 刀片焊接到硬質合金刀體上，相鄰刀齒的傾角大小相同，但方向不同，加工時有效抑制了碳纖維復合材料的加工缺陷。現有針對刀具結構設計方面的研究多為針對碳纖維增強樹脂基復合材料加工刀具的設計，而針對FRCMC-SiC復合材料銑削加工的專用刀具結構設計等方面的文獻較少，相關研究亟待開展。

2 纖維增強陶瓷基復合材料的特種加工技術

特種加工技術也稱為“非傳統加工技術”（Non-Traditional Machining，NTM），指利用熱能、電能、光能、化學能等能量達到去除或增加材料的加工方法。纖維增強陶瓷基復合材料的特種加工技術主要包括激光加工、電火花加工、水射流加工等，國內西北工業大學、西安交通大學、山東大學、哈爾濱工業大學、中航工業復合材料技術中心等單位圍繞特種加工工藝、能量對材料的作用機理、工藝參數優化和加工質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。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，不產生機械應力，不存在刀具磨損和替換等問題，適合加工如纖維增強陶瓷基復合材料等的高硬度、高脆性材料。目前激光加工纖維增強陶瓷基復合材料的研究主要集中在激光的選擇、加工工藝、加工參數優化和材料去除機理等方面。

激光包括脈沖激光和連續激光兩類，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，可以在極短時間內使作用區域的工件材料溫度上升到材料的熔點或升華溫度，從而達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 復合材料微孔，研究了激光參數如能量密度、掃描速度、填充間距等對微孔加工質量的影響。結果表明復合材料的激光鉆孔過程中產生熔渣和等離子體，吸收了部分激光能量，導致微孔呈錐形，微孔出口處圓度較低，加工精度低；同時微孔周圍和內壁上附著熔渣，降低了加工質量。ZHAI 等［61］使用皮秒激光在Cf/SiC 復合材料表面制備微溝槽，發現激光能量密度對微溝槽形狀和加工質量具有顯著影響，當激光能量密度較高時，微溝槽的形狀精度和加工質量較高；使用氬氣保護可避免微溝槽表面氧化。WANG 等［62］對比研究了飛秒激光和皮秒激光加工Cf/SiC 復合材料的加工效率和質量，結果發現皮秒激光加工的表面呈波浪形，附著有納米氧化物顆粒，表明材料發生了熱熔融；采用低功率的飛秒激光加工的表面質量較高，加工損傷較少。

激光加工中，經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錐形，當孔深增大或板材厚度增加時，加工精度越低。劉壯等［63］開展了飛秒激光加工SiCf/SiC 復合材料厚板的孔型特征研究，表明激光能量密度對孔深和錐度影響較大，在優化激光參數下，小孔錐度仍然達到了12.38°。為了進一步降低激光鉆孔的錐度，LIU 等［64］開展了Cf/SiC 復合材料的激光環鉆制孔試驗研究和工藝參數優化，結果表明環鉆工藝可有效降低孔的錐度；工藝參數優化后，孔的錐度進一步降低，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 復合材料的加工機理，飛秒激光去除SiCf/SiC 復合材料是一個復雜的物理化學過程，包含激光能量的吸收、熱傳導、雪崩電離、等離子體膨脹、液相爆破和其他過程，如圖11所示。當激光能量和光斑重疊率較高時，材料去除過程以光熱效應為主導，此時復合材料發生融化并飛濺出來；由于表面張力作用，飛濺出來的熔融物質將分散并收縮成為顆粒，從而形成觀察到的火花現象，如圖11（a）所示。當激光能量和光斑重疊率較低時，材料去除過程以光化學效應為主導，此時復合材料吸收多光子能量后發生電離，形成等離子體，如圖11（b）所示。

圖11 飛秒激光加工SiCf/SiC復合材料機理和試驗觀察［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（EDM）是通過工件電極和工具電極之間脈沖性火花放電時的電腐蝕來去除材料，以達到對工件尺寸、形狀和表面質量要求的加工技術。

C 纖維和SiC 均為導電材料，YUE 和ZHANG等［66-67］研究了電火花加工Cf/SiC 復合材料的可行性和材料去除機理，結果表明EDM 過程中熱應力超過復合材料的拉伸強度，導致材料發生破壞而去除，加工表面存在大量的裂紋和材料剝落等加工缺陷。電火花制孔試驗發現，產生的碎屑會阻礙加工的進行，且碎屑堆積會導致二次放電，進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量，但是電極會發生損耗。HE 等［68］開展了電火花線切割2D Cf/SiC 復合材料試驗，表明纖維方向對加工表面粗糙度具有顯著影響。加工缺陷主要包括纖維脫粘、碎屑和重鑄層，且碳纖維產生了微裂紋。

由于纖維增強陶瓷基復合材料的導電率較低，且電火花加工過程中碎屑排出效率低，導致材料去除率較低。為了解決上述問題，WEI等［69-70］采用電極振動和電介質深度沖刷的方法促進碎屑排出，材料去除率和加工表面質量得到提高。電火花加工SiCf/SiC 復合材料的試驗結果表明，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生、裂紋擴展和材料脫落，基體材料的熱膨脹和非導電纖維斷裂是導致裂紋產生的主要原因。

2.3 磨料水射流加工

磨料水射流加工是以水為介質，通過高壓發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沖擊和沖刷，材料局部應力集中，從而產生沖蝕、剪切，實現材料去除的特種加工方法。磨料水射流加工工藝具有較強的切割加工能力，且對工件材料的厚度幾乎沒有限制；該工藝產熱少，且高速高壓水射流可時時帶走加工產生的熱量，加工幾乎沒有熱損傷；該工藝還具有清潔環保的優點。

焦健等［71］開展了高壓水射流加工SiCf/SiC 復合材料的試驗研究，發現陶瓷基體被磨料水射流沖蝕，加工表面出現較多冒頭纖維，切割面不平整。高壓射流對復合材料工件的高沖擊力導致材料表面處于壓縮狀態，而其內部處于拉伸狀態。當拉應力超過材料的拉伸強度時，材料產生微裂紋，磨料對材料產生微切削作用而使材料發生脆性斷裂去除。

3 纖維增強陶瓷基復合材料的復合加工技術

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

國內外學者針對纖維增強陶瓷基復合材料的復合加工技術開展了大量的理論分析、有限元仿真和試驗研究，主要包括超聲振動輔助加工、激光輔助加工、電火花和超聲復合加工、水射流和激光復合加工等。研究結果均表明，相對于單個加工工藝，復合材料的復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量得到提高。

3.1 超聲振動輔助加工

超聲振動輔助加工（UVAM）是一種綜合了傳統機械加工和超聲波技術的新型復合加工技術，是在刀具或工件上施加可控的高頻振動，改變刀具與工件之間的接觸和作用狀態，使刀具與工件發生周期性的接觸和分離。國內北京航空航天大學、南京航空航天大學、天津大學、大連理工大學等單位針對纖維增強陶瓷基復合材料的超聲振動輔助加工技術開展了大量研究，研究結果表明超聲振動輔助加工纖維增強陶瓷基復合材料可有效降低切削力，降低刀具與切削間的摩擦因數，提高加工效率、加工表面質量和刀具壽命。國內外學者圍繞纖維增強陶瓷基復合材料的超聲振動加工，設計搭建了超聲振動裝置［45，74-76］，開發了超聲振動加工、旋轉超聲振動加工和超聲扭轉振動加工等工藝［77-81］，并研究了超聲振動加工機理、加工工藝優化、刀具失效機理和損傷抑制方法等。

LIU等［82］研究了超聲振動輔助銑削Cf/SiC復合材料中的切削力和表面質量，并與常規銑削加工進行了對比研究。結果表明，超聲振動輔助銑削的切削力Fx、Fy和Fz分別降低了43.7%、29.16% 和68.09%。BERTSCHE等［83］對比研究了超聲振動輔助磨削和常規磨削SiCf/SiC復合材料的切削力、刀具磨損和表面粗糙度，結果表明與常規磨削相比，超聲振動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］研制了超聲振動輔助銼削實驗平臺，由超聲波發生器、變幅桿、換能器、專用刀柄和機床等構成；研究了超聲振動輔助銼削Cf/SiC復合材料，建立了運動學模型分析加工機理，并開展了試驗研究。發現超聲振幅對切削力和表面質量具有顯著影響，隨著超聲振幅的增加，加工表面粗糙度降低。同時，與常規銼削和磨削的對比研究表明，超聲振動輔助銼削的加工表面質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磨削。

旋轉超聲振動加工（RUM）在旋轉刀具的軸向施加超聲振動，即超聲振動方向與切削速度方向垂直。DING 等［86］研究了旋轉超聲振動輔助鉆削Cf/SiC 復合材料的切削力、扭矩和鉆孔質量，試驗發現與未施加超聲振動相比，施加超聲振動后鉆削力和扭矩分別降低了23%和47.6%，且鉆孔質量得到提高，表面粗糙度降低了23%，如圖12所示。為了進一步降低RUM 鉆削Cf/SiC 復合材料的撕裂缺陷，WANG 等［87］采用階梯錐套料鉆加工Cf/SiC 復合材料，由于錐面的再加工效應，軸向力降低，孔出口的缺陷降低。旋轉超聲振動輔助鉆削試驗表明，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一步提高孔出口質量。XUE 等［88］研究了采用旋轉超聲振動輔助銑削加工的Cf/SiC 復合材料的疲勞特性，由于超聲振動的作用，加工表面的殘余壓應力最高可達2 GPa，因此抑制了界面裂紋，并阻礙了纖維裂紋的擴展。與常規銑削加工的Cf/SiC 復合材料相比，旋轉超聲振動輔助銑削加工的Cf/SiC 復合材料的疲勞損傷率降低了80.5%，且疲勞試驗后剩余拉伸強度可達95.8%。綜上可知，旋轉超聲振動輔助加工不僅可以降低切削力，提高加工質量，還可以提高材料的使役性能，對擴大復合材料的應用具有重要的意義。

圖12 旋轉超聲振動輔助鉆削［86］Fig.12 Schematic diagram and experimental results of rotary ultrasonic machining［86］

超聲扭轉振動（UTV）加工是在刀具繞主軸轉動的同時對刀具的主運動方向施加超聲振動，即超聲振動方向與切削速度方向相同。姜慶杰［89］開展了超聲扭轉振動銑削Cf/SiC 復合材料的試驗研究，建立了超聲扭轉振動銑削的運動學模型，分析了切削力、加工質量和刀具磨損。結果表明，超聲扭轉振動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］研究了縱扭復合超聲振動輔助鉆削Cf/SiC 復合材料，將軸向超聲振動與扭轉超聲振動同時施加于刀具上，與軸向超聲振動輔助鉆削相比，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，提高了加工表面質量，同時可以提高材料的疲勞性能。但針對超聲振動輔助加工纖維增強陶瓷基復合材料的作用機理，目前尚無統一定論。ZHANG 等［91］揭示了超聲振動對金剛石刀具磨損的影響機制，即超聲振動加工過程中，由于刀具和工件斷續接觸，工件待加工表面材料發生氧化生成氧化膜，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軟化待加工區域材料，在材料軟化狀態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。目前國內未見關于激光加熱輔助加工在纖維增強SiC 陶瓷基復合材料領域的研究報道。ROZZI等［92］研究了激光加熱輔助銑削Cf/SiC復合材料工藝，使用228 W 連續激光輻照待加工材料，在材料軟化狀態用PCD 刀具將其去除；與常規銑削相比，新工藝的切削力降低了40%。但是，由于激光功率高，刀工接觸區溫度高達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，待加工區域工件材料的溫度升高（1 100～1 300 ℃），強度降低。在相同的切削用量下，與常規銑削工藝相比，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］試驗研究了激光燒蝕輔助砂帶磨削Cf/SiC 復合材料的磨削力、磨削溫度和加工表面粗糙度。激光光斑中心的瞬時最高溫度可達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。激光光斑中心區域復合材料被迅速蒸發，光斑周圍的復合材料發生化學反應生成疏松且均質的熔融層（SiO2和再結晶的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］對比研究了激光加熱輔助微細切削和常規微細切削Cf/SiC 復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3.841 μm。DONG等［96］開展了激光加熱輔助微細銑削SiCf/SiC 復合材料的研究，探索了激光加熱溫度（激光輻照區域工件材料的平均溫度）對立方氮化硼微細銑刀的磨損和壽命的影響規律，分析了工藝的經濟性。結果表明，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。與常規微細銑削工藝相比，在激光加熱輔助微細銑削工藝中，當激光加熱溫度為1 307 ℃時，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，復合材料的切削力得到顯著降低，進而刀具磨損和加工缺陷降低。但是，纖維增強陶瓷基復合材料的熔點高、硬度高，材料軟化、熔化甚至氣化所需的溫度很高，現有研究中激光加熱溫度均高于1 000 ℃。一方面激光熱影響區較大，材料的物理力學性能發生改變，后續仍要將熱影響區材料去除方可獲得所需表面；另一方面，高溫會降低刀具的切削性能，尤其針對金剛石刀具或金剛石涂層刀具，高溫將導致金剛石發生石墨化。WANG等［97］在研究激光加熱輔助加工金屬材料時發現，雖然激光加熱輔助下切削力降低、刀具磨損速率降低，但是高溫導致刀具剛度變弱并發生熱膨脹，加工過程中容易發生跳動，降低了加工精度。為了解決上述問題，ZHAO等［98-109］提出了激光誘導氧化輔助加工新方法，使用脈沖激光輻照待加工區域工件材料，并輔助通氧，誘導材料與氧氣發生可控氧化反應，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，且通過調節激光參數可以實現對氧化層尺寸的調控，因此該工藝的可控性高，為纖維增強陶瓷基復合材料高效高質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，空氣是光疏介質，基于全反射原理，當激光束從水射流進入到界面處時會發生全反射，因此水導激光原理上類似于光纖，激光能量全部作用到工件表面上，不會穿過水射流而損失。水射流冷卻切削區，減小了激光熱影響區；同時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 復合材料的水導激光加工工藝基礎研究，搭建了納秒綠光為激光光源的高耦合水壓水導激光加工系統，并進行了劃槽切割和打孔試驗研究。采用多道直線的加工方式，切斷了厚度為3 mm 的SiCf/SiC 復合材料，斷面未發現重凝層和熱影響區，僅發現少部分纖維斷口有不同方向的臺階形貌，如圖15所示。水導激光打孔時，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，沒有毛刺產生，但是孔內壁生成了較薄的重凝層。但是，水射流的穩定性對激光水射流加工具有較大影響，且當水射流會在復合材料表面形成一層水膜，阻礙了激光對材料的充分燒蝕。為了解決這個問題，BAI 等［112］提出了同軸螺旋氣體輔助激光水射流加工技術（CGALWJ），以SiCf/SiC 復合材料為加工對象，開展了理論分析和試驗研究。同軸螺旋氣體的作用一方面保證了水射流的穩定性，提升了激光水射流的加工能力；另一方面，氣體促進了水快速從加工區域排出，并將切屑沖刷出來，阻止了切屑滯留和重鑄層的生成，因此該工藝可以進一步提高加工效率和加工質量（圖16）。

圖15 水導激光加工SiCf/SiC復合材料的斷口形貌［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加工效果對比示意圖［112］Fig.16 Schematic diagrams of LWJ machining and CGALWJ machining［112］

4 總結與展望

FRCMC-SiC 復合材料具有優異的物理和化學性能，在航空航天、軌道交通、核工業和高性能光學系統等領域具有廣泛應用前景。該類復合材料普遍采用近凈成形的制備方法，但是為了保證復合材料構件的使役性能、安全性和可靠性，一般需要對制備后的材料進行機械加工以獲得較高的尺寸精度、形位精度和表面質量。復合材料具有高硬度、大脆性、各向異性和非均質性等特點，是一種典型的難加工材料，給機械加工帶來了挑戰。國內外學者圍繞Cf/SiC和SiCf/SiC 復合材料的常規機械加工、特種加工和復合加工工藝進行了較為系統的研究。

在常規機械加工技術中，磨削加工可獲得較高的表面質量和加工精度，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，同時切削過程不穩定，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。通過前期調研分析，Cf/SiC 復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重結構件中廣泛應用的主要因素。

在特種加工技術中，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構。激光能量作用集中，易于調控，尤其是脈沖激光的能量密度很高，可在極短時間內將作用區域材料熔融或氣化，因此激光加工的材料去除率較高。但激光加工復合材料的表面質量和形狀精度較差，飛濺出來的熔渣會附著在材料表面，降低了表面質量；激光加工存在熱影響區，改變了材料的物理化學性能。激光束呈錐形結構，加工的結構形狀也存在錐度，加工精度較低。

在復合加工技術中，超聲振動輔助加工具有較低切削力和切削溫度、較高加工質量，還可有效抑制毛刺、撕裂等加工缺陷，成為復合材料加工研究的熱點。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合材料高硬度帶來的高切削力難題，但是復合材料軟化所需的激光能量很高，激光熱影響區較大，工藝可控性差。同時，高溫會降低刀具的切削性能，降低加工精度。

現有研究在加工工藝、刀具優選、工藝參數優化和表面形成機制等方面取得了一些有意義的結果，證明通過合理的工藝控制可以解決復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 復合材料應用領域的逐步擴大和復合材料結構件性能的逐漸提高，對復合材料高效精密加工的需求日益迫切。根據本文的綜述分析，后續FRCMC-SiC 復合材料的加工研究可從以下幾個方面開展：

（1）加工刀具方面，缺乏基于刀具和復合材料切削特性匹配性的專用金剛石刀具技術。目前研究表明金剛石刀具是加工纖維增強陶瓷基復合材料的理想刀具，但相關研究仍然停留在針對現有金剛石刀具進行選型并開展切削試驗，而缺乏金剛石刀具材料與結構對復合材料切削特性的影響規律的研究，復合材料加工專用刀具的設計與制備缺乏理論指導；

（2）質量表征方面，由于復合材料的各向異性和非均質性，FRCMC-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量表征方法不完全適用于陶瓷基復合材料，需要開發FRCMC-SiC 復合材料特定的加工質量表征技術；

（3）加工質量與材料使役性能的映射關系尚不明確，現有研究重點關注加工工藝參數對加工質量的影響規律，而缺乏加工質量對材料使役性能如承載、抗氧化、疲勞、蠕變等影響，需要加強加工工藝與全壽命周期使用可靠性、性能壽命等關聯關系研究。