通过化学微流体辅助激光诱导等离子体微钻削技术对2.5D碳化硅（C/SiC）复合材料的性能评估

《Optics & Laser Technology》：Performance evaluation of 2.5D C/SiC composite by chemical micro fluid assisted laser induced plasma micro-drilling

2.5D C/SiC复合材料微孔加工中，化学微流体辅助激光诱导等离子体微钻孔（CMFA-LIPMD）方法有效降低烧蚀区厚度（78.12%-80.46%）和孔径锥度（45.71%-46.36%），同时提升高温抗拉强度5.81%并改善表面形貌与化学成分均匀性。

　　

严俊伟|徐静远|郝波|徐毅|张莉

教育部航空推进系统振动与控制重点实验室，东北大学机械工程与自动化学院，中国辽宁省沈阳市110819

摘要

2.5D碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料（C/SiC）卓越的机械性能和耐高温性使其在航空发动机涡轮叶片领域具有广泛的应用潜力。针对激光诱导烧蚀（LIA）过程中出现较大热影响区（HAZ）以及微孔中形成氧化物导致锥度显著增加的问题，本文提出了一种化学微流体辅助的激光诱导等离子体微钻削方法来改善这些问题。研究了使用两种微流体（NaOH和HF）处理后的微孔表面质量、HAZ厚度、锥度、表面化学成分及机械性能。研究结果表明，HF微流体辅助的激光诱导等离子体微钻削方法具有显著优势：与LIA相比，HAZ厚度减少了78.12%-80.46%，锥度减少了45.71%-46.36%，高温环境下的平均抗拉强度提高了5.81%，且应变分布更加均匀。微孔边缘规整，侧壁表面光滑。本研究为2.5D C/SiC微孔加工提供了一种新方法，并为提高激光加工质量提供了新的思路。

引言

在运行过程中，涡轮叶片会受到高转速、高压和高温的影响[1]。涡轮叶片的可靠性和安全性对航空发动机的平稳运行至关重要[2]。随着航空工业的发展，燃烧室温度可达到1600℃，传统的高温耐材料已无法满足高温环境下的性能要求[3]。碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料（C/SiC）因其高强度、轻质和耐高温特性，在航空发动机涡轮叶片中越来越受欢迎[4][5][6]。通过应用空气膜冷却技术，可以提升叶片的机械性能并有效降低表面温度[7]。该工艺需要在涡轮叶片上加工大量直径在0.3至0.9毫米之间的微孔。不同的钻削技术可能导致多种微孔缺陷，如微裂纹、热影响区（HAZ）、较大锥度和不良的表面形态[8][9][10]。在高温和复杂应力环境下，这些缺陷会加剧叶片的失效风险并降低其机械性能[11][12]。因此，亟需开发一种能够使C/SiC材料微孔具备优异机械性能和高表面质量的加工方法。

C/SiC材料的传统加工方法包括铣削、磨削等[13][14]，但这些方法不适合加工微孔，因为它们会导致工具快速磨损、表面质量差以及纤维断裂，这主要是由于C/SiC材料的特殊物理性质和不均匀特性所致[15][16]。研究人员还尝试了电火花加工（EDM）和磨料水射流加工（AWJM）等技术。AWJM的高速冲击可能导致微孔周围产生毛刺，以及撕裂损伤和分层损伤[17][18]。EDM加工的缺点还包括较大的HAZ和电极严重磨损[19]，此外材料的导电性也是其应用的限制因素[20]。激光加工的优点在于加工效率高、表面质量好且为非接触式[21][22][23]。研究人员尝试将传统加工方法与激光加工结合使用[24][25]，但这种方法效率较低。飞秒激光和水射流引导激光因具有高加工精度而受到广泛研究[26][27][28]，但其效率仍较低且成本较高。王X等人[29]分析了飞秒激光螺旋钻削过程中孔壁的微观结构，螺旋钻削具有较高的几何精度，但无法去除氧化物。Subasi L等人[30]研究了水射流引导激光的特性，该技术可以减少HAZ，但加工过程中产生的气泡会降低加工质量。张YH等人[31]使用氢氟酸清洁加工表面以去除激光加工产生的氧化层，但由于氧化层的存在，激光无法继续加工[32]。因此，需要一种既能去除氧化物又能减少气泡影响的加工方法来实现高质量微孔加工。

激光加工微孔的大HAZ和锥度会显著降低加工质量[33][34][35]。激光诱导等离子体微钻削（LIPMD）可在一定程度上减少热损伤和锥度。Zimmer K等人[36]使用CF₄和O₂气体混合物中的激光诱导等离子体烧蚀来减少热损伤。Yan S等人[37]比较了C/SiC在空气中和水层保护下的纳米秒激光烧蚀行为。上述研究试图通过使用混合气体或水层来减少HAZ，但忽略了氧化物积累的影响。同时，应考虑到水层厚度增加时，加工过程中产生的气泡对激光的折射作用会更加明显[38][39]。Wang P等人[40]验证了微流体辅助激光诱导等离子体微钻削（MFA-LIPMD）在碳纤维增强塑料（CFRP）上的应用，该方法通过微流体减少了气泡的影响，但未能有效去除氧化物以改善锥度。

研究人员还尝试采用化学方法辅助激光加工以减少HAZ[41][42]。王X等人[43]将SiC/SiC浸入氢氧化钾溶液后进行激光加工。Li XQ等人[44]结合飞秒激光和动态湿法蚀刻处理了C/SiC微孔。上述研究试图通过化学反应减少氧化物的产生，但未考虑化学腐蚀对材料机械性能的影响。目前微孔加工方法尚未同时兼顾减少气泡和去除氧化物的问题，且不同方法处理后的材料在高温环境下的机械性能研究较少。

基于上述研究，本文提出了一种化学微流体辅助的激光诱导等离子体微钻削（CMFA-LIPMD）方法。化学微流体与纳米秒激光等离子体微加工的结合可以有效减少气泡的影响，并去除氧化层。CMFA-LIPMD工艺显著减少了微孔缺陷，性能优于LIA和LIPMD工艺。本文比较了两种微流体（NaOH和HF）对微孔加工质量的影响，分析了不同加工方法对材料高温条件下机械性能的影响，详细描述了CMFA-LIPMD处理C/SiC材料的去除机制，并分析了不同加工方法下C/SiC试样的表面完整性、热损伤、锥度、氧化情况和机械性能。本研究为C/SiC涡轮叶片的高质量微孔加工提供了新的解决方案。

化学微流体辅助激光诱导等离子体微加工

MFA-LIPMD是一种新型微加工方法，是对LIPMD技术的改进。它通过使用微流体代替浸渍溶液来减少气泡对加工质量的影响。当激光束在微流体中的峰值功率密度超过C/SiC的电离阈值时，激光焦点处会产生自由电子；当自由电子密度超过临界值时，会导致材料发生光击穿。

实验材料

本实验使用了2.5D C/SiC复合材料（中国凡瑞益辉复合材料有限公司生产）。该材料采用预陶瓷聚合物浸渍热解（PIP）工艺制备，并使用T-700碳纤维制成预制体。T-700碳纤维相比T-300碳纤维具有更好的综合性能，因为它采用干喷湿法制造[52]。图2(a)展示了其示意图。

表面质量分析

图6显示了激光诱导烧蚀（LIA）过程中微孔的表面形态。图6(a1)表明微孔周围有明显的热损伤痕迹，孔壁表面覆盖了大量氧化物。这是由于激光加工产生的余热传递到孔周，导致周围材料侵蚀并形成较大的HAZ。材料并未完全气化。

结论

本文提出了CMFA-LIPMD工艺，该工艺结合了化学辅助处理和MFA-LIPMD技术，提高了2.5D C/SiC材料的微孔加工质量。对比分析了LIA、MFA-LIPMD、NaOH-CMFA-LIPMD和HF-CMFA-LIPMD工艺对微孔表面质量、HAZ厚度、侧壁质量、锥度和侧壁表面化学成分的影响。

作者贡献声明

严俊伟：撰写 – 审稿与编辑，原始稿撰写，概念构思。 徐静远：实验研究，数据分析。 郝波：资源协调。 徐毅：数据分析。 张莉：项目管理，资金争取，数据协调。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：51905082）的支持。