碳纤维增强碳化硅复合材料（C/SiC）水射流导引激光加工（WJGL）断裂行为与材料去除机制

《Results in Engineering》：Fracture behavior and material removal mechanisms of C/SiC composite via water jet-guided laser processing

　　

研究人员采用水射流导引激光（water jet-guided laser，WJGL）加工工艺，对通过反应熔融渗入（reactive melt infiltration，RMI）法制备的2.5D针刺碳纤维增强碳化硅复合材料（C/SiC）实施沟槽切割，系统探究了加工参数对断裂行为与材料去除机制的影响。研究结果显示：随激光功率升高，基体的材料去除机制从机械断裂向热烧蚀转变；对于增强纤维，其断裂行为主要取决于纤维取向：0°取向纤维与针刺纤维以机械断裂为主导，90°取向纤维以激光烧蚀为主导。加工表面粗糙度主要由基体与纤维间的热物理性能显著失配，以及材料去除机制共同决定。本研究为陶瓷基复合材料（ceramic matrix composites，CMCs）的高质量加工提供了关键的理论指导与实践参考。

### 论文解读
#### 研究背景与问题提出
陶瓷基复合材料（ceramic matrix composites，CMCs）凭借低密度、高强度、优异的高温稳定性，已在航空航天领域得到规模化应用。但这类材料存在垂直方向的各向异性和本征脆性，传统磨削、铣削、钻孔等接触式加工方法难以实现精细结构的制备；电火花加工、常规激光加工等非接触加工方式易产生严重热累积，导致厚重铸层与大面积热影响区（heat-affected zone，HAZ）；超快激光加工虽可通过冷烧蚀机制降低热损伤，但存在设备成本高、加工效率低的局限性。水射流导引激光（water jet-guided laser，WJGL）加工技术可将高能激光耦合至稳定微水柱中，利用水柱的冷却、冲渣功能快速带走加工区热量，有效降低脆性材料的加工热损伤，是当前CMCs精密加工领域的重要技术方向。已有研究针对WJGL加工CMCs的工艺参数优化、组分逐层去除机制开展了大量工作，但纤维取向对复合材料断裂行为的影响机制尚不明确，纤维取向各向异性也是导致CMCs加工均匀性差、表面形貌复杂、缺陷多的核心障碍，因此研究人员开展了本次系统研究。本次研究成果发表于期刊《Results in Engineering》。
#### 主要技术方法
本次研究采用三类关键技术：一是2.5D针刺C/SiC复合材料的反应熔融渗入（reactive melt infiltration，RMI）制备技术，通过针刺预制体成型、化学气相渗透（chemical vapor infiltration，CVI）制备碳纤维增强碳（C/C）预制体，随后在1570℃真空条件下渗硅制备致密C/SiC复合材料；二是532 nm纳秒WJGL加工系统，通过特殊设计的喷嘴结构实现激光在水射流中的全反射传输，通过调整激光功率、扫描速度等参数实现复合材料沟槽的重复切割；三是多尺度表征技术，采用激光扫描共聚焦显微镜（laser scanning confocal microscopy，LSCM）、扫描电子显微镜（scanning electron microscopy，SEM）分析加工后截面形貌与表面粗糙度，利用能谱仪（energy-dispersive X-ray spectroscopy，EDS）开展元素成分与分布分析，通过X射线衍射仪（X-ray diffraction，XRD）检测加工后表面相组成与残余应力。
#### 研究结果
##### 3.1 复合材料微观结构
研究明确了2.5D针刺C/SiC复合材料的五类特征区域：0°纤维束区（X方向）、90°纤维束区（Y方向）、胎网层区、基体区、针刺纤维束区（Z方向）；单根碳纤维（T⁷⁰⁰，日本东丽公司）由皮层、过渡层与芯层构成，基体相包含热解碳（pyrolytic carbon，PyC）、SiC与残余硅，其中RMI过程中熔融硅与碳反应生成的致密SiC层是残余硅形成的主要原因。
##### 3.2 激光参数对沟槽形貌的影响
随扫描速度升高，激光与材料的相互作用时间缩短，单位长度能量输入降低，达到预设加工深度所需的循环切割次数增加，总加工时间延长；低扫描速度下能量沿切割深度方向传播，易形成窄沟槽，高扫描速度下热量发生横向扩散，入口沟槽宽度增大；由于水射流对激光能量的衰减作用，出口沟槽宽度无明显差异，加工后形成V型结构，能量衰减符合公式I_z=I₀e^-αz，其中I_z为深度z处的功率密度，I₀为初始激光功率密度，α为综合衰减系数。激光功率升高可提升脉冲能量，增强激光-材料相互作用，恒定位移速度下可降低加工时间，但入口沟槽宽度随激光功率升高无明显变化，且能量输入提升会扩大热影响区，需合理选择工艺参数。
##### 3.3 基体断裂行为
XRD检测显示加工后表面出现非晶态SiO₂的衍射峰，且所有加工参数下XRD特征峰均发生约0.3°的右移，证实加工后表面存在残余压应力。随激光功率升高，基体去除机制从以水射流机械冲击力与热应力诱发的机械断裂为主，转变为以热分解烧蚀为主：低激光功率下热效应较弱，材料去除以机械作用为主；高激光功率下高能量密度可促进SiC直接热分解，Si、SiC可与水、氧气发生多步反应生成SiO₂等产物。
##### 3.4 不同取向纤维断裂行为
0°纤维在16 W低激光功率下以机械断裂去除为主，激光热效应引发纤维与基体界面脱粘，纤维在热应力梯度作用下发生长程拔出，低扫描速度下纤维以弯曲、剪切断裂为主，高扫描速度下水射流冲击导致界面脱粘后发生脆性断裂，形成凹坑；18 W、20 W高激光功率下纤维表面覆盖反应产物SiO₂，去除机制向热烧蚀转变。90°纤维以激光烧蚀为主要去除机制，断面均匀稳定，低激光功率下界面脱粘是主要损伤机制：纤维径向热膨胀系数远大于基体，界面产生的压应力与剪切应力超过界面结合强度时引发环形开裂，同时纤维壳-芯结构的热失配会诱发纤维内部发散裂纹；高激光功率下机械损伤被抑制，基体与纤维同步通过烧蚀去除，纤维周围出现气孔。针刺纤维（Z方向）的去除机制为局部热烧蚀与后续机械断裂的耦合作用：激光能量作用于纤维侧壁使周围基体汽化，水射流冲除残余基体后纤维暴露，在水射流冲击与残余热应力作用下发生局部烧蚀劈裂、直径减小等复杂断裂行为，熔融态SiO₂在纤维表面的扩散涂层是影响表面粗糙度的核心因素。
##### 3.5 表面粗糙度
加工表面粗糙度受加工时间、纤维/基体热物理性能失配、混合去除机制共同影响，C/SiC复合材料的表面粗糙度显著高于SiC/SiC复合材料，研究人员推荐采用高功率高扫描速度（如20 W/5 mm/s）或低功率中扫描速度（如16 W/3 mm/s）的参数组合获得更均匀的加工表面。
#### 研究讨论与结论
研究人员讨论指出，纤维取向是影响断裂行为与去除机制的核心变量，不同取向纤维的热传导路径、与激光及水射流的相互作用方式存在差异，导致去除机制与断裂形貌不同；基体与纤维的热物理性能失配是表面粗糙度偏高的核心原因，混合去除机制进一步放大了表面异质性。研究结论明确了WJGL加工C/SiC复合材料的工艺参数-断裂行为-去除机制的关联规律，为CMCs的高质量激光加工提供了重要的理论支撑。