高深径比孔水导激光钻孔过程中 SiCf/SiC 复合材料的微观结构与化学演变

《Journal of the European Ceramic Society》：Microstructural and chemical evolution of SiC f/SiC composites during water-jet guided laser drilling of high-aspect-ratio holes

　　

摘要

SiC_f/SiC 复合材料是下一代航空发动机热端部件的有前景材料，但其异质和各向异性结构使得高长径比孔加工具有挑战性。本研究使用水射流引导激光钻孔结合多目标贝叶斯优化来制造高长径比孔并确定稳定的加工窗口。在优化条件下，57–60 s 内加工出了锥度角为 0.22°–0.29°的孔。三维表征显示，随着加工深度的增加，孔从浅盲孔演变为深孔，最终变为通孔，同时保持连续的孔壁轮廓，无明显收缩或形态不连续。SEM、EDS、Raman 和 XPS 分析显示无明显分层、严重边缘崩缺、纤维拔出或厚的重铸层，同时识别出局部重结晶的富 Si 产物、轻微的富氧现象、碳相重构以及残余的 Si–C 和 Si–O 相关键。这些结果表明，水射流引导激光加工可以实现 SiC_f/SiC 复合材料中高长径比小孔的低损伤钻孔。

引言

碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料 (SiC_f/SiC 复合材料) 具有低密度、高比强度、耐高温、抗氧化和优异的热稳定性，使其成为航空发动机涡轮叶片、燃气轮机燃烧室和核能设备的有前景材料 [1], [2], [3]。在这些部件中，高长径比小孔常用于膜冷却、流量调节和其他功能需求。它们的尺寸精度、孔锥度、孔壁质量和热损伤直接影响部件的服务可靠性和冷却效率 [4], [5]。然而，SiC_f/SiC 复合材料由多相结构组成，包括 SiC 纤维、SiC 基体和界面层，表现出高硬度、高脆性、异质性和各向异性。这些特性给 SiC_f/SiC 复合材料的高质量孔加工带来了巨大挑战 [6], [7], [8]。

陶瓷基复合材料中加工引起的损伤与所采用的加工方法密切相关 [9]。An 等人 [6] 系统地综述了陶瓷基复合材料加工中的材料去除机制和损伤模式，并报告称在钻孔、铣削和磨削过程中容易发生纤维断裂、纤维拔出、基体开裂、界面脱粘和边缘崩缺等缺陷。从磨削加工的角度来看，Zhang 等人 [7] 指出，尽管磨削和超声辅助磨削可以在一定程度上提高表面质量，但它们仍可能引入亚表面裂纹和纤维/基体界面损伤。对于激光孔加工，Sun 等人 [10] 和 Jia 等人 [11] 指出，在碳化硅和碳化硅基复合材料的激光钻孔过程中，熔融材料重结晶、孔内热积累和等离子体屏蔽很容易导致重铸层、热影响区、微裂纹、飞溅、氧化烧蚀和孔锥度增加的形成。特别是在深径比大 的小孔加工中，随着孔深的增加，能量传递、碎屑去除和气体排出条件恶化，使得加工精度与损伤控制之间的权衡更加明显 [10], [11], [12], [13]。

水射流引导激光 (WJGL) 加工使用细水射流引导激光束，同时提供冷却、冲洗和碎屑去除。该工艺可以在一定程度上减少热积累、氧化和重铸层损伤，使其成为陶瓷基复合材料的重要低损伤加工方法。Elkington 等人 [14] 调查了 WJGL 切割 SiC/SiC 复合材料，证明了该方法在 CMC 加工中的可行性。Wei 等人 [15] 进一步表明，WJGL 加工 SiC_f/SiC 复合材料可以产生高清洁度和低氧化损伤的加工表面。Hu 等人 [16] 研究了 SiC_f/SiC 复合材料的 WJGL 槽加工，揭示了工艺参数对槽形貌和损伤特征的影响。对于微孔加工，Bao 等人 [17] 使用 WJGL 加工在 C_f/SiC 复合材料中获得了高长径比微孔，表明了 WJGL 在陶瓷基复合材料深微孔加工中的潜力。最近，Wei 等人 [18] 进行了 SiC_f/SiC 复合材料中 WJGL 钻孔的参数研究和多目标优化，进一步证明了该技术在高效和低损伤孔钻孔中的应用价值。

尽管之前的研究为 WJGL 加工陶瓷基复合材料提供了重要基础，但 SiC_f/SiC 孔壁在高长径比小孔钻孔过程中的微观结构和表面化学状态演变仍了解不足。特别是，重结晶产物的形成和再分布、富 Si 区域的演变、局部氧化程度以及受限窄孔内碳相关结构的重构尚未得到系统表征。此外，SiC_f/SiC 复合材料由交替排列的纤维层组成，在 WJGL 钻孔过程中，0°和 90°纤维区域的孔壁损伤行为可能显著不同。因此，孔形成、依赖纤维取向的孔壁形貌、元素再分布、化学键演变和低损伤形成机制之间的关系需要进一步研究。

另一方面，高长径比小孔加工涉及多个工艺参数的耦合，包括激光功率、扫描速度、水射流压力和喷嘴-工件距离。这些参数共同影响能量输入、水射流稳定性、材料去除、孔锥度和加工时间 [15], [16], [17], [18]。传统的单因素或正交实验可以揭示某些参数依赖趋势；然而，在高实验成本和有限样本量的条件下，它们在识别稳定加工窗口方面效率较低。贝叶斯优化适用于昂贵的黑盒优化问题 [19], [20], [21], [22], [23]，可以通过代理模型和采集函数以更少的实验试验逐步接近优选参数区域 [24], [25], [26], [27]。因此，在本研究中，贝叶斯优化被用作辅助方法，在稳定加工条件下获得低锥度孔。

基于上述分析，本研究重点关注 SiC_f/SiC 复合材料中高长径比小孔 WJGL 钻孔过程中的孔形成、孔壁微观结构、元素再分布和化学键演变。首先，建立了一个基于高斯过程回归的小样本多目标贝叶斯优化框架，以确定具有低孔锥度和合理加工时间的稳定加工窗口。在优化参数下，制造了长径比为 10 的小孔。随后，使用三维 X 射线显微镜、扫描电子显微镜、能量色散光谱、拉曼光谱和 X 射线光电子能谱系统表征了孔轮廓、孔形成过程、依赖纤维取向的孔壁形貌、重结晶产物、氧化特征和表面化学状态。本研究旨在揭示水射流引导能量传输、平面螺旋扫描、快速冷却、冲洗辅助碎屑去除和连续孔壁修整协同作用导致 SiC_f/SiC 复合材料中高长径比小孔低损伤形成的机制。

章节摘要

SiC_f/SiC 复合材料的表征

在本研究中，选用混合化学气相渗透和先驱体浸渍热解 (CVI + PIP) 工艺制造的 SiC_f/SiC 复合材料作为工件材料。实验前，将材料切割成尺寸为 20 mm × 10 mm × 4 mm 的矩形试样。然后使用不同粒度的砂纸依次研磨试样表面，随后在无水乙醇中超声清洗 15 min 以去除表面碎屑和

贝叶斯优化辅助的钻孔参数选择

为了获得后续微观结构和化学表征的代表性高长径比孔，初始实验样本是通过拉丁超立方采样 (LHS) 生成的。图 5(a) 显示了由激光功率、水射流压力、扫描速度和喷嘴-工件距离组成的参数空间中初始样本的分布。样本覆盖了研究的参数范围，并为代理模型构建提供了初始数据集。

单调的

结论

本研究调查了 SiC_f/SiC 复合材料中高长径比小孔的水射流引导激光钻孔。使用贝叶斯优化获得了代表性的低锥度孔，并系统表征了孔形貌、形成过程、孔壁微观结构和表面化学状态。主要结论如下：

• (1)
  建立了一个以孔锥度和加工时间为优化目标的小样本多目标贝叶斯优化框架

CRediT 作者贡献声明

严宝：写作 – 审查和编辑，指导，方法论，资金获取，概念化。杨峰：指导，资源。邢广浩：写作 – 初稿，软件，方法论，形式分析，数据整理，概念化。边旭超：形式分析，数据整理。董志刚：写作 – 审查和编辑，指导，方法论，资金获取。康仁科：指导，项目管理。郭富强：验证，调查。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本论文中报告的工作。

致谢

本工作得到了 国家自然科学基金杰出青年科学基金 (No. 52325506)、辽宁省兴辽人才计划 (No. XLYC2403208)、辽宁省科技计划 (No. 2024011189-JH2/1026) 和 中央高校基本科研业务费 (No. DUTZD25226) 的支持。

邢广浩|董志刚|边旭超|郭富强|康仁科|杨峰|严宝

大连理工大学高性能精密制造全国重点实验室，大连 116024，中国