揭示SiC/SiC复合材料中倾斜孔的飞秒激光钻孔技术：形态特征分析、不对称氧化机制以及无氧化钻孔加工过程

《JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY》：Unraveling femtosecond laser drilling of slanted holes in SiC/SiC composites: Morphological characterization, asymmetric oxidation mechanisms, and oxidation-free drilling processing

飞秒激光加工斜孔的氧化机制与抑制方法研究，通过多相耦合模型揭示斜孔加工中熔池流动与气体相耦合导致的非对称氧化沉积规律，提出水/磁场辅助加工工艺，成功实现氧化损伤零容忍和孔口倒锥角小于0.15°的高质量斜孔加工。

　　

雷高|刘畅|刘俊杰

天津工业大学机械工程学院先进机电设备技术国家重点实验室，中国天津300387

摘要

飞秒激光钻孔在陶瓷基复合材料（CMCs）中制造冷却孔方面具有巨大潜力。尽管直孔已得到广泛研究，但斜孔对于实现高温部件的有效薄膜冷却至关重要。斜孔钻孔过程中激光能量和流场的不对称性引入了复杂的烧蚀和氧化机制。然而，这一方面很少被研究。为了解决这一空白，本研究基于宏观和微观结构实验分析以及多相耦合钻孔模拟，探讨了SiC/SiC复合材料中多角度斜孔飞秒激光钻孔的形态特征和独特的不对称氧化机制。建立了一个固-液-气三相耦合数值模型，以揭示流场和温度场的分布特性。研究发现，熔池和气相的方向性流动特性耦合导致了不对称的氧化沉积，而不对称的温度分布则控制了不对称的氧化扩散。为了解决高质量斜孔的制造挑战，进一步提出了水/磁场辅助激光钻孔工艺，并对其进行了验证。该工艺有效抑制了氧化损伤，能够制造出无氧化且锥度小于0.15°的高质量斜孔。本研究为先进薄膜冷却孔的制造提供了重要的理论和技术框架。

引言

随着航空航天发动机向更高的推重比和超音速巡航能力发展，热端部件所经历的热环境变得越来越恶劣[1]，[2]。这一演变对材料的高温性能、轻量化设计和结构可靠性提出了迫切要求。陶瓷基复合材料（CMCs）因其优异的性能而成为有前景的解决方案[3]。其中，SiC/SiC复合材料被认为是高温关键部件的理想候选材料[4]，[5]。采用SiC/SiC复合材料可以显著提高工作温度极限，同时实现结构减重，从而提高发动机热效率和推重比[6]。另一方面，为了充分发挥其性能潜力，必须在热端部件中加入冷却孔以实现高效冷却[7]。因此，精确加工这些冷却孔的复杂几何形状成为实现这一目标的核心挑战。

在加工CMCs时，由于其各向异性、极高的硬度和脆性，会出现切削力不稳定、加工损伤复杂和刀具磨损严重等问题[8]，[9]。这些问题在加工微孔时尤为明显。非传统加工方法由于其独特的工艺适应性而被证明可以有效缓解这些挑战。然而，每种非传统加工方法都有其局限性。磨料水射流加工可以成功加工CMCs中的大直径孔，但难以满足微孔的要求[10]。CMCs缺乏足够的导电性，使得电火花加工对这些材料无效[11]。相比之下，激光加工是一种常用的方法，因为它不受材料特性的影响[12]。

激光钻孔的特性随着脉冲宽度的不同而有显著差异。目前的研究探讨了毫秒级、纳秒级、皮秒级和飞秒级激光在钻孔SiC/SiC复合材料方面的能力。尽管毫秒级和纳秒级激光具有更高的加工效率，但强烈的光热效应可能导致孔壁严重的烧蚀损伤[13]，[14]。张等人[15]观察了在不同辅助气体下对SiC/SiC复合材料进行毫秒级激光钻孔的过程。他们的发现表明，辅助气体影响了材料去除和表面形态，而高温下的温度梯度和材料熔化差异导致孔壁出现显著缺陷。此外，王等人[16]发现SiC/SiC复合材料的密度显著影响纳秒级激光的钻孔质量。较高的密度与孔壁更光滑的表面相关。然而，虽然增加材料密度可以提高壁质量，但纳秒级激光的较长脉冲持续时间仍不可避免地导致热损伤。另外，张等人[17]研究了使用紫外纳秒级激光钻孔SiC/SiC复合材料的可行性。他们的结果表明，紫外激光通过类似于冷加工的光化学断裂机制去除材料，从而实现了高质量孔的加工。

与长脉冲激光相比，超快脉冲激光（如皮秒级和飞秒级激光）具有更好的精度控制和较低的热效应[18]。一些研究进一步探讨了皮秒级和飞秒级激光在SiC/SiC复合材料中的钻孔能力。刘等人[19]发现，皮秒级激光能量和进给速率显著影响孔的出口形态和截面轮廓，而加工过程中产生的碎屑也会对孔质量产生不利影响。李等人[20]报告说，皮秒级激光钻孔不仅在孔内产生大量碎屑，还会引起氧化损伤。然而，这些研究都没有提出有效的策略来抑制这种钻孔引起的损伤。此外，刘等人[21]证明，在SiC/SiC复合材料进行飞秒级激光钻孔时增加光斑重叠率有助于碎屑排出并提高孔质量，但这种方法仍无法完全消除碎屑的粘附和积累。总体而言，现有研究主要集中在加工参数对宏观孔特征的影响上，而微观烧蚀行为和潜在机制仍不够深入。

迄今为止，已经提出了各种新的钻孔技术来进一步提高SiC/SiC复合材料的钻孔质量。这些方法包括KOH化学溶液辅助[22]、NaOH化学溶液辅助[23]和水/磁场辅助钻孔[24]。尽管这些辅助方法可以有效抑制激光引起的损伤，但所得孔仍具有显著的锥度[24]。此外，杨等人[25]提出了一种两步飞秒级激光旋转钻孔技术，能够在SiC/SiC复合材料中制造出几乎无锥度的直孔。值得注意的是，上述关于SiC/SiC复合材料的钻孔研究主要集中在直孔上。然而，在实际应用中，热端部件中的冷却孔通常分布在多个角度，其中相当数量的孔具有倾斜几何形状。因此，这些预定孔的加工特性和优化值得更多关注。周等人[26]研究了皮秒级激光钻孔斜孔（10°和20°）的烧蚀特性，发现高温和应力导致再铸层、裂纹、纤维断裂和纤维拔出。为了实现高质量斜孔加工，李等人[27]将杨等人的[25]两步飞秒级激光方法扩展到45°斜孔的钻孔。然而，孔内仍观察到轻微的氧化沉积。值得注意的是，大气水蒸气可以在高温下与形成的SiO₂反应，生成Si(OH)?[28]。此外，长时间的反应会导致SiC/SiC复合材料的机械性能逐渐退化。这种渐进性的恶化最终会导致部件在关键服务条件下的失效。有效控制氧化损伤至关重要[29]。据作者所知，关于飞秒级激光钻孔SiC/SiC复合材料斜孔的详细研究尚未报道。飞秒级激光加工斜孔的几何特性和烧蚀氧化机制仍需进一步澄清，同时需要开发高质量的斜孔钻孔技术。

本研究旨在通过使用不同激光功率的飞秒激光加工SiC/SiC复合材料中的直孔和多角度斜孔（15°、30°、45°）来填补这些研究空白。通过将数值模拟与多种先进的表征技术相结合，揭示了斜孔的几何特性和氧化损伤机制，并提出了一种无氧化孔钻孔工艺。研究框架如图1所示。首先，基于宏观和微观形态分析以及固-液-气多相耦合激光钻孔模型，阐明了斜孔钻孔中的不对称氧化损伤机制。随后，将先前开发的水/磁场辅助激光加工策略扩展到斜孔加工中，以减轻加工引起的损伤。此外，通过优化关键工艺参数，有效减少了孔的锥度。最终，在SiC/SiC复合材料中实现了高质量孔的加工。这项研究为后续改进冷却孔的加工技术和质量提供了重要的实验证据。

部分摘录

SiC/SiC复合材料

用于钻孔的SiC/SiC复合材料是由三种主要成分组成的多相材料：SiC基体、正交编织的SiC纤维（以0°和90°方向排列）和热解碳。这种复合材料是通过化学气相渗透工艺制备的。如图2a所示，增强体具有双向编织结构。图2b展示了微观结构。主要材料性能包括密度2.5 g/mm3、纤维直径12 μm等。

入口和出口的分析

图5展示了在不同激光功率下直孔和斜孔入口的宏观形态分析。孔边缘有明显的白色沉积物，白色物质沿纤维方向延伸。根据形态差异，带有白色沉积物的区域被定义为氧化沉积区（图5(a)中用红色箭头标出），而白色物质沿纤维方向扩散的区域被称为氧化区

激光功率对微观结构的影响

图8展示了在不同激光功率下45°斜孔入口的微观形态分析。如图8a-c所示，随着激光功率的增加，入口下边缘的沉积变得更加明显。氧化沉积区的高分辨率图像（图8a1-c1）显示，纳米颗粒附着在沉积表面上，且随着激光功率的增加，它们的沉积程度显著增加。

熔池和气相的方向性流动

鉴于直接通过实验方法观察激光钻孔过程中熔池和气体流动的动态行为的挑战，以及为了阐明直孔和斜孔之间不同氧化行为的潜在机制，使用COMSOL Multiphysics软件开发了对SiC/SiC复合材料中激光钻孔的直孔和斜孔的数值建模。该模型整合了流体热传递、层流和水平集

无氧化斜孔钻孔工艺

如前述实验和数值分析所示，飞秒激光钻孔SiC/SiC复合材料斜孔主要会引起严重的氧化损伤，这也是主要的缺陷形式。为了实现SiC/SiC复合材料的高质量激光钻孔，有必要开发一种抑制氧化损伤并改善孔几何形状的钻孔技术。

在之前的工作中[24]，提出了一种水/磁场辅助钻孔工艺来减轻氧化

结论

采用实验和数值模拟相结合的方法，分析了倾斜角度和激光功率对SiC/SiC复合材料中飞秒激光钻孔斜孔的几何特征、烧蚀形态和损伤的影响。这项工作揭示了控制烧蚀氧化的基本机制，并基于这些见解提出了一种无氧化钻孔工艺。主要发现总结如下：

(1) 在斜孔加工中，熔融

CRediT作者贡献声明

刘畅：写作 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，方法论，资金获取。刘俊杰：数据管理。雷高：写作 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，方法论，调查，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号52575526）和天津市自然科学基金（编号25JCZDJC00450）的支持。我们感谢天津工业大学分析测试中心在结构照明显微镜工作方面的支持。