陶瓷基复合材料(Ceramic-matrix composites， CMCs)不仅保留了陶瓷材料的耐高温、低密度、高比强、高比模、抗氧化和抗烧蚀等优异性能，而且克服了陶瓷材料脆性大和可靠性差等致命弱点^[1-3]。根据增韧方式的不同，CMCs分为颗粒、晶须、层状和连续纤维增韧四类，强度和断裂韧性依次增加。连续纤维增韧陶瓷基复合材料是CMCs发展的主流方向。根据CMCs组成不同，连续纤维增韧CMCs分为玻璃基、氧化物基和非氧化物基三类，工作温度依次升高^[4]。氧化物陶瓷基复合材料(Oxide-CMCs)在氧化性环境下的性能更稳定，但是它的力学性能，特别是抗高温蠕变能力较差，因此非氧化物陶瓷基复合材料(Non-oxide CMCs)较前者得到了更广泛的关注。在非氧化物陶瓷基复合材料中，以纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(Fiber-reinforced silicon carbide ceramic-matrix composites，SiC-CMCs)最受瞩目。SiC-CMCs具有类似金属的断裂行为、对裂纹不敏感、不会发生灾难性破坏等突出优点，能够满足1650℃以下长寿命、2000℃以下有限寿命、2800℃以下瞬时寿命的使用要求，成为各国竞相研究、发展的热点材料^[5-6]。SiC-CMCs主要包括碳纤维增强(韧)碳化硅复合材料(C/SiC)和碳化硅纤维增强(韧)碳化硅复合材料(SiC/SiC)两种^[7]。CMCs在航空航天领域具有重要的应用价值，航天领域主要采用C/SiC复合材料，SiC/SiC复合材料主要应用于两机(航空发动机和燃气轮机)领域。

SiC/SiC复合材料被认为是解决高温800~1100℃环境长时间、抗氧化问题的优质候选材料^[8]。美国航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)针对SiC/SiC复合材料在航空发动机领域的应用开展了大量研究工作，NASA格林研究中心制备的SiC/SiC火焰筒通过了发动机的环境考核。目前，已经制备并通过试验的SiC/SiC航空发动机部件有火焰筒内衬、火焰筒、喷口导流叶片、涡轮叶片、涡轮壳环、喷管等热端部件。美国Solar Turbine公司制备的SiC/SiC火焰筒内衬顺利通过了10000 h耐久性试验，试验结果表明：使用SiC/SiC内衬后，发动机的CO排放明显降低，截至2001年底，SiC/SiC火焰筒内衬已经累计进行了50000 h的耐受性试验，完成5次外场试验。法国SNECMA公司与美国联合研制的SiC/SiC密封调节片通过了1000 h正式装机考核，考核过程中没有出现损坏迹象。

2015年2月10日，美国通用电气公司(General electric，GE)首次将SiC/SiC转动件引入航空发动机工况最恶劣区域，在F-414涡扇验证机上演示验证了SiC/SiC低压涡轮叶片，获得圆满成功，该成果代表了喷气推进领域重大技术突破。该试验经历了500个严酷的发动机循环工况，证实SiC/SiC涡轮叶片具有极强的耐高温和耐久性。GE公司测试的SiC/SiC涡轮叶盘如图1所示，采用分体制备、集成装配的研制思路，中心盘体为金属材料，外沿高温部分采用SiC/SiC涡轮叶片，部分叶片涂覆有黄色的环境障碍涂层。GE公司的研究结论是：SiC/SiC叶片只有金属叶片质量的1/3，叶片更轻就可以显著降低离心载荷，盘体、轴承和其他部件能设计的更加轻薄。GE公司认为CMCs构件的应用将为喷气发动机带来革命性影响。CMCs构件技术被认为是GE所掌握的最新锐、最领先的技术之一，已经成为新一代自适应循环发动机的重要特征^[9]。

图  1  美国通用电气公司(GE)首次实现陶瓷基复合材料(CMCs)转子叶片地面试验

Figure  1.  Ground test of ceramic-matrix composites (CMCs) blade in Generalelectric (GE) company

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CFM公司配装CMCs高压涡轮罩环的LEAP-1 A民用涡扇发动机，于2015年5月19日在空客A320 neo飞机上成功完成了首飞，表明CMCs在航空发动机热端部件应用取得新突破。该发动机采用了CMCs高压涡轮罩环(环绕高压涡轮转子叶片、阻止涡轮叶尖热排气泄漏的静止环形密封件)，是CMCs首次实际应用于发动机核心机部件，部件质量比用传统金属材料减轻上百公斤。CMCs高压涡轮罩环已经完成了20000 h的部件及整机试验，试验表明CMCs部件的应用极大地减少了从压气机引出的冷气量，提高了发动机的推力，并降低燃油消耗量1.5%以上。图2所示的是CFM公司LEAP发动机及CMCs高压涡轮外环。2024年交付的波音777 X-9将配装的GE9 X发动机采用了SiC/SiC燃烧室内衬套、外衬套、一级涡轮导叶、二级涡轮导叶、高压涡轮外环，被称为采用CMCs最多的商用航空发动机(图3)。

图  2  CFM公司LEAP发动机和CMCs涡轮外环应用情况

Figure  2.  CMCs turbine shroud in LEAP engine developed by CFM company

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图  3  GE9 X发动机采用SiC/SiC部件示意图

Figure  3.  Schematic diagram of GE9 X engine with SiC/SiC components

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我国SiC/SiC航空发动机热端部件的研制几乎与美国GE等公司同步开始，但是我国没有成熟的航空发动机热端部件考核验证平台，因此SiC/SiC航空发动机热端部件的考核严重不足，直接阻碍了SiC/SiC热端部件的研制进展。国内西北工业大学^[10-11]、国防科技大学^[12]、北京航空航天大学^[13-14]、南京航空航天大学^[15]、中国航发湖南动力机械研究所^[16]、中国航发北京航空材料研究院^[17-18]、中航工业北京航空制造工程研究所^[19]、航天材料及工艺研究所^[20]等单位积极开展了CMCs热端部件设计、制造与考核等领域的研究工作。在中国航发湖南动力机械研究所牵引下，西北工业大学研究团队在国内率先开展了SiC/SiC火焰筒、固定导叶、涡轮外环、整体涡轮叶盘等航空发动机热端部件的设计、制备、考核验证等工作^[10]。西北工业大学开展了航空发动机用CMCs热端部件的研制工作，在氮化硼(BN)界面防水侵蚀工艺、热管理微孔加工、自愈合基体设计与制备等方面取得了相关突破性进展；所制备的SiC/SiC复合材料火焰筒、涡轮外环等构件通过了多项地面考核试验。中国航发湖南动力机械研究所和西北工业大学联合研制的SiC/SiC整体涡轮叶盘在2022年元旦完成了首次空中考核验证，表明我国在小尺寸全陶瓷基复合材料涡轮转子部件方面取得了重要进展，SiC/SiC整体涡轮叶盘测试和空中验证情况如图4所示。国防科技大学研究团队开展了CMCs燃烧室壁厚设计，并进行了热试车考核验证^[12]。北京航空航天大学研究团队开展了SiC/SiC低压涡轮导叶的热疲劳试验，经过1000次循环后，叶片质量减小，叶盆及叶背表面粗糙度明显增大^[13]；完成了SiC/SiC叶片的宏观设计、榫头设计和细节设计等，进行了叶片的拉伸强度测试，并通过了实验室条件下的静强度考核^[14]。

图  4  SiC/SiC整体涡轮叶盘试飞情况

Figure  4.  Flight tests of SiC/SiC turbine blisk

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CMCs是一种典型的难加工材料，除了各向异性的特点外，其硬度仅次于金刚石和立方氮化硼，而航空发动机构件对型面和尺寸精度要求极高，因此CMCs热端部件加工是制约我国航空发动机技术进步的难点之一。另外，航空发动机热端部件内嵌孔(气膜孔等)是CMCs热端部件的基本结构，对CMCs构件制备成型和服役性能的发挥具有重要意义。其次，CMCs热端部件成型难度高，多采用集成装配成型的工艺路径。CMCs结构件连接装配后，通常无法采用二次复合工艺消除连接间隙和材料缺陷，因此高精度、高质量的铆接孔成为保障装配可靠性的关键。

本文给出了CMCs热端部件内嵌孔的分类及用于加工CMCs内嵌孔的方法，包括常规机械加工方法、超声振动辅助加工方法及激光加工方法等，分析了上述加工方法的加工原理、工艺特征、工艺参数的选取及加工缺陷特征、形成机制等，给出了不同直径、深径比CMCs内嵌孔加工工艺的建议。

1.   CMCs热端部件内嵌孔分类

CMCs构件内嵌孔主要包括热管理微孔和铆接孔，热管理微孔直径较小，一般在0.1~2.0 mm，铆接孔直径范围在2.0~5.0 mm，上述孔具有数量多、精度要求高等特点。SiC/SiC复合材料具有脆性和超硬性的特性，要求内嵌孔加工中没有热影响或热影响区域尽可能小，避免对材料和构件的性能造成不利的影响。这对加工设备的功能、附件、刀具与加工工艺等提出了较高的要求。因此，必须根据CMCs内嵌孔规格、角度等选择合适的加工方法和加工工艺。

1.1   热管理微孔

热管理微孔主要是CMCs热端部件上的气膜孔，有圆孔、方孔、椭圆孔、条型微缝、猫儿孔(簸箕孔)和异形孔等类型。直径(或宽度)在0.1 ~ 2.0 mm，深度在2~20 mm，在同一CMCs构件上气膜孔的数量多，分布密集。热管理微孔具有不同的角度、位置和型面，并且在超硬和高脆材料上进行加工作业，加工难度较高。图5所示的是热管理微孔的示意图和加工样品示例。在某火焰筒周边分布有大量的热管理微孔，如图5(a)所示。图5(b)所示的是加工成的直通孔和异型热管理孔，加工角度和直径的精度要求极高，加工难度很大。因此，如何高效、高质量的完成表面微孔是热端CMCs构件工程化制备的关键技术。

图  5  (a)某CMCs火焰筒部件热管理微孔；(b) CMCs加工出的直通和异形热管理孔

Figure  5.  (a) Thermal management micro holes of a CMCs flame component; (b) Through and shaped thermal management holes machined from CMCs

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1.2   铆接孔

CMCs构件装配过程中需要制备直径2.0~5.0 mm的铆接孔，用于零部件装配过程中铆钉锚固使用。铆接孔通常为圆孔或锥型孔，孔直径较大(3.0~5.0 mm)，孔的深度范围在4.0~10.0 mm。铆接孔的数量较多(一般为几百~几千个)，铆接孔加工效率和精度直接影响CMCs构件的制备速度和装配效率。

2.   CMCs热端部件内嵌孔加工方法

CMCs纤维预制体结构类型多样，图6所示的是三维针刺、二维叠层、2.5维编织和三维编织C/SiC复合材料纤维预制体结构^[21]，复合材料内部的纤维骨架结构类型多样，纤维取向十分繁杂，导致CMCs力学性能呈各向异性。

图  6  三维针刺(a)、二维叠层(b)、2.5维编织(c)、三维编织(d) C/SiC复合材料纤维预制体结构^[21]

Figure  6.  3D needled-punch (a), two-dimensional lamination (b), 2.5-dimensional woven (c) and three-dimensional braided (d) fiber architectures in C/SiC composites^[21]

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传统的钻孔加工刀具磨损快，加工一致性差，难以避免崩边、撕裂等加工缺陷。内嵌孔中气膜孔的轴线大多与构件平面的法线方向有较大夹角(可达到70^o的夹角)，气膜孔的加工深度一般大于构件厚度，同一构件不同位置的气膜孔的轴线方向不一致，气膜孔的直径一般都比较小，长径比较大，各气膜孔的孔顶位置通常不在一个高度上，加工时进口和出口位置易出现崩口等，上述因素对气膜孔的加工方法和加工工艺有了较高的要求。

内嵌孔的加工视具体规格和要求，一般采用的加工方法包括常规的机械加工、超声振动辅助加工和激光加工等。

2.1   CMCs构件内嵌孔常规机械加工方法

CMCs构件内嵌孔通常采用常规机械加工手段加工，主要包括磨削、铣削和钻削等。针对上述常规机械加工技术，目前研究的重点主要集中于加工工艺参数的优化、CMCs去除机制的分析等。

(1)磨削加工方法

磨削加工是利用磨料去除材料的加工方法^[22]，张立峰等^[23-25]分析了单向C/SiC复合材料的表面形貌和磨削机制，沿纤维法向磨削时，磨削力最大，纤维发生脆性断裂且断裂表面不均匀；沿纤维轴向磨削时，磨削力较小，纤维断裂呈层次性，纤维和基体以碎片形式去除；沿纤维横向磨削时，磨削力最小，如图7所示。在磨粒的冲击载荷作用下，单向C/SiC复合材料的破坏模式主要是基体开裂、纤维断裂和界面剥离，去除机制主要为脆性断裂。

图  7  (a)沿轴向纤维磨削；(b)沿横向纤维磨削；(c)沿法向纤维磨削^[24]

f—Cutting force; f_t—Cutting tangential force; f_n—Cutting normal force

Figure  7.  Grinding schematic diagram in fiber longitudinal direction (a), transverse direction (b) and normal direction (c)^[24]

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Liu等^[26]通过单颗磨粒磨削试验研究了二维C/SiC复合材料的磨削加工机制，发现磨粒切入角对纤维束的去除形式有较大影响，当磨粒沿轴向和横向切入时，受磨粒挤压作用，纤维束和基体发生大面积脱粘，纤维束呈大块断裂；当磨粒沿法向切入时，纤维束发生剪切断裂或弯曲断裂，此时纤维束和基体仅有小面积脱粘，因此纤维束碎断并拔出，在加工表面留下小孔洞，磨削加工过程如图8所示。舍跃斌^[27]对2.5维C/SiC复合材料磨削表面完整性进行了研究，分析了加工参数和纤维角度对C/SiC加工表面质量的影响与演化趋势。

图  8  单颗粒切割纤维束的3种模式：(a)轴向；(b)横向；(c)法向^[26]

Figure  8.  Three modes of the single-grain cutting into a fiber bundle: (a) Longitudinal; (b) Transverse; (c) Normal^[26]

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Liu等^[28]使用平底和锋利金刚石磨粒磨削2.5维SiC/SiC复合材料，分析了SiC基体和SiC纤维的磨削去除机制。图9给出了平磨和尖磨后SiC基体和SiC纤维表面形貌，在平磨和尖磨中，SiC基体主要通过断裂裂纹、剥离、纤维暴露和粉化等方式去除(图9(a1)和图9(b1))。在对SiC纤维进行横向金刚石平磨试验时，纤维脱粘和剪切断裂是平磨划擦的主要去除特征(图9(a2))。在锋利的金刚石砂粒上还能观察到另外两种去除模式，即塑性划痕和纤维断裂(图9(b2))。在轴向SiC纤维的金刚石划擦中，切入点和切出点中的剪切断裂和弯曲断裂分别是纤维编织结构的两种关键的材料去除模式(图9(a3)和图9(b3))。

图  9  平底金刚石(a)和锋利金刚石(b)磨粒划擦2.5维SiC/SiC复合材料表面形貌^[28]

Figure  9.  Topographies of 2.5D SiC/SiC composite after scribing by flat grit (a) and sharp grit (b)^[28]

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权宇^[29]开展了2.5维SiC/SiC复合材料磨削试验研究，分析了磨削深度、进给速度、砂轮速度、纤维方向等对磨削试验磨削力、试样表面粗糙度及表面形貌的影响，基于材料微观形貌的观察，发现在高进给速度和磨削深度情况下，SiC/SiC复合材料表面磨削碎屑较多，磨削表面质量差；当进给速度和磨削深度较低时，纤维和基体磨削碎屑较少，磨削表面质量较好。周雯雯^[30]揭示了磨粒形状对材料去除机制和损伤形式的影响规律。殷景飞等^[31]开展了二维SiC/SiC复合材料单颗粒磨削实验研究，揭示了脆性去除模式下磨削中侧边崩碎规律，复合材料内部的SiC基体裂纹容易引发磨削中侧边的崩碎，纤维与磨削方向的夹角影响侧边崩碎的宽度，当磨削横向纤维时，磨削速率的提高有助于降低侧边崩碎的程度。

(2)铣削加工方法

磨削加工效率低，当材料去除量大时，铣削加工可大幅提高加工效率。何涛等^[32]采用聚晶金刚石(PCD)刀具进行了C/SiC复合材料铣削加工试验，分析了铣削加工表面形成机制，分析了铣削参数对加工表面形貌和粗糙度的影响，研究发现加工表面存在纤维的层状脆断、拔出和纤维束断裂等现象，提高切削速度能改善表面质量，增大切深会使表面质量严重恶化。钟翔福^[33]进行了C/SiC复合材料的铣削试验，铣削力和切削热的降低有利于减轻刀具磨损，提高加工质量。Hu等^[34]采用PCD刀具铣削二维C/SiC复合材料，在铣削过程中出现多种损伤机制，包括纤维断裂、基体碎断、纤维/基体界面脱粘等，随着铣削速度的增加，切削力和加工表面粗糙度均降低。

孔宪俊等^[35]采用正交试验法对SiC/SiC复合材料进行了铣削试验，发现铣削深度对铣削力的影响最大，随着铣削深度的增加，单位时间内刀具铣削材料体积增加，引起铣削力增大和铣削区域温度升高，导致刀具磨损增加，给出了以铣削力最小和刀具磨损量最低为优化目标的各个工艺参数。Shan等^[36]建立了考虑纤维方向的铣削力预测模型，基于试验结果，采用多元线性回归方程获得了2.5维C/C复合材料的切削力系数，预测的切削力与试验结果的最大误差约为10%。Yuan等^[37]采用铣削力模型分析了C/SiC复合材料脆塑性转变的临界深度，当最大切削深度大于临界切削深度时，纤维出现大面积断裂现象；当最大切削深度小于临界切削深度时，纤维多为连续去除。

(3)钻削加工方法

由于CMCs具有高硬度、各向异性和非均质性等特性。CMCs的高硬度导致高钻削力，各向异性和非均质性导致钻削过程中产生径向分力，不同部位处纤维、基体和气孔的体积分数不同，因此钻削过程中径向分力不断变化，钻削过程中钻削力呈现不对称性，容易导致钻头偏斜甚至折断。

Diaz等^[38]采用拉曼光谱法分析了SiC/SiC复合材料钻削过程中由于机械应力和热应力而导致的材料应变，揭示了SiC/SiC复合材料特性对钻削加工过程的影响。在钻削过程中，SiC纤维以脆性去除为主，加工过程中的残余应力为拉应力，热应力梯度是导致纤维产生应变的主要原因；SiC基体以塑性去除为主，加工过程中的残余应力为压应力，机械应力是导致基体出现应变的主要原因。Diaz等^[39]基于SiC/SiC复合材料高硬度和非均质特性建立了概率-钻削力模型，图10给出了复合材料在钻削过程中钻头受纤维、基体和孔隙影响的径向力示意图。

图  10  CMCs不同部位处钻头所受径向力示意图^[39]

C_fiber—Content of the fiber; C_matrix—Content of the matrix; C_porosity—Content of the porosity; F_r—Drilling radial force; α—Relative content of fiber; ν—Relative content of matrix

Figure  10.  Diagram representing radial stress changes with the position in CMCs^[39]

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螺旋铣削制孔是对钻削工艺的改进方法，使用高速旋转的立铣刀沿着螺旋线轨迹进给，从而在工件上铣削出直径大于立铣刀直径的圆孔，其排屑空间大，有利于散热，轴向力低，出口毛刺少，并且能够实现单一直径刀具加工一系列直径孔，已经成为航空装备制造领域新兴的高效、高质量制孔技术，已经成功应用到波音公司、空客公司飞机装配生产中。在同等加工效率条件下，螺旋铣孔产生的轴向力小于钻孔，约为钻孔的56.9%；孔壁粗糙度及孔径差均小于钻削，如图11所示；钻孔产生的切削热少于螺旋洗削制孔，约占螺旋铣的58.7%^[40]。

图  11  C/SiC复合材料钻孔和螺旋铣孔的出入口质量：(a)钻削入口；(b)钻削出口；(c)螺旋铣削出口^[40]

Figure  11.  Hole quality under helical milling and drilling of C/SiC composite: (a) Drilling cut-in; (b) Drilling cut-out; (c) Helical milling cut-out^[40]

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(4)机械加工设备与辅助工具

内嵌孔加工可以采用数控铣床和(多轴)机械加工中心加工。根据内嵌孔位置，选择合适的加工设备，设计合适的走刀和进刀程序、刀具，配备适用的工装夹具和冷却方式进行加工，加工参数主要包括：主轴转速、刀具进给速率、刀具进给方式等，以满足对内嵌孔的加工要求，防止加工时因刀具不能垂直进刀面发生的让刀、崩口和刀具断裂的现象。

图12所示的是某加工中心对C/SiC内嵌孔的加工照片，加工过程中采用冷却液对刀具进行冷却。加工CMCs内嵌孔常用刀具主要包括：高速钢刀具、普通硬质合金刀具、PCD铣削刀具、电镀金刚石刀具、金刚石烧结刀具和金刚石纤焊等。图13所示的是不同刀具制孔获得的三维表面粗糙度S_a均值，PCD刀具加工的效果最好，无论在平行于纬纱和经纱方向上，PCD刀具加工的材料表面粗糙度最低。

图  12  C/SiC内嵌孔的加工照

Figure  12.  Processing photos of C/SiC embedded holes

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图  13  不同刀具制孔获得的三维表面粗糙度S_a均值

1—Diamond-coated cutting tools; 2—Electroplated superhard abrasive cutting tools; 3—Brazed diamond cutting tools; 4—Multiple cutting PCD tools; PCD—Polycrystalline diamond

Figure  13.  Mean values of three-dimensional surface roughness S_a obtained by different tools for hole making

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CMCs加工过程中复合材料局部会产生巨大的热量，因此大多数都会采用乳化液等冷却介质对材料和刀具进行冷却，以达到提高加工效率、节省刀具消耗之目的。常用的冷却增效剂包括乳化液、矿物油、液氮等。图14所示的是液氮辅助低温加工系统^[41]，采用液氮为媒介对加工刀具和加工材料进行冷却处理。采用液氮可以高效消除机械磨削引起的局部热效应，提升加工效率和保护刀具，降低刀具磨损。图15所示的是不同冷却介质作用下刀具温度和应力变化情况^[41]，发现采用液氮作为冷却介质条件下，刀具温度最低，切削应力也最小，因此可以显著提升刀具寿命和加工效率。

图  14  液氮辅助低温加工系统^[41]

Figure  14.  Liquid nitrogen assisted cryogenic processing system^[41]

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图  15  液氮辅助加工C/SiC复合材料的效果：(a)刀具温度；(b)切削力^[41]

F—Cutting force; θ—Spray angle

Figure  15.  Effectiveness of liquid nitrogen-assisted machining of C/SiC composites: (a) Cutting tool temperature; (b) Cutting force^[41]

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2.2   超声振动辅助加工方法

超声振动辅助加工(Ultrasonic vibration-assisted milling，UVAM)是一种综合了传统机械加工和超声波技术的新型复合加工技术，在刀具或工件上施加可控的高频振动，改变刀具与工件之间的接触和作用状态，使刀具与工件发生周期性的接触和分离的加工技术。超声加工利用刀具的高频率、小振幅的机械振动，对构件表面进行敲击，使被加工的微小部位辅加了高频率的振动切削，改善了刀具的加工应力，促进了接触点材质的松化，对改善让刀现象、减轻孔口破裂、延长刀具使用寿命均有积极作用。

在加工中心机床进行气膜孔加工时，多采用旋转式超声波辅助加工设备，由外置的超声波发生器和固定于机床主轴上的机械振动器组成。超声波发生器接通电源后，产生超声波能量，通过电线输出到固定到主轴上的振动器上，通过机械振动器使装夹其上的加工刀具产生超声波机械振动。在加工前需要根据刀具调整超声波发生器的频率、振幅及功率参数，使刀具能有效起振，方可起到超声波辅助加工的作用。

Liu等^[42]使用金刚石涂层铣刀进行了UVAM和传统铣削(Conventional milling，CM) C/SiC复合材料试验，在加工过程中产生的瞬时切向力dF_t、径向力dF_r和轴向力dF_a与瞬时接触面积成正比，图16给出了超声振动辅助铣削过程中切削力示意图。在超声波振动铣削过程中，轴向超声波的影响对轴向切削力的影响最大。此外，超声波振动的辅助作用改变了切削过程中的剪切流角和切屑流角，对切削力有一定程度的影响。降低每齿进给量和切削深度或提高切削速度可降低平均切削力。增加超声波振幅，平均切削力先减小后增大。在超声波振动的辅助下，平均切削力F_x、F_y和F_z的最大降低率分别为43.7%、29.16%和68.09%。在超声波振动的辅助作用下，空腔塌陷等破坏现象有所减少，没有出现明显的纤维拔出、分层等损伤现象，切削的边缘质量也得到了一定程度的改善。减小切削深度和每齿进给量或提高切削速度可减小表面粗糙度，增大超声波振幅可先减小表面粗糙度，然后再增大表面粗糙度；整体而言，超声波振动铣削的表面粗糙度略小于传统铣削。

图  16  超声振动辅助铣削过程中切削力示意图^[42]

a_w—Axial cutting depth of the milling cutter; F_t—Tangential force; F_r—Radial force; F_a—Axial force; ϕ'—Instantaneous tooth position angle of the tool; F_x—Cutting force in the x direction; F_y—Cutting force in the y direction; n—Rotation speed; v_f—Cutting speed; ϕ_st—Initial tooth position angle of the tool; ϕ_ex—Final tooth position angle of the tool

Figure  16.  Schematic diagram of cutting force during ultrasonic vibration-assisted milling process^[42]

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Bertsche等^[43]对旋转超声槽加工(Rotary ultrasonic slot machining，RUSM) CMCs进行了试验研究，通过分析材料去除率(Material removal rate，MRR)对加工力、刀具磨损和表面粗糙度的影响，对比分析了RUSM和传统金刚石磨削。结果表明，与传统加工工艺相比，RUSM显著降低了加工切削力和刀具磨损。此外，还确定了金刚石刀具特性对表面粗糙度和刀具磨损的影响。RUSM将F_y和F_z方向的加工力分别降低了20%和9%，RUSM将刀具磨损的影响降低了36%。

Ding等^[44]为了改进C/SiC复合材料的加工工艺，采用金刚石芯钻头进行了旋转超声波加工(Rotary ultrasonic machining，RUM)和传统钻孔(Conventional drilling，CD)试验。通过比较两种工艺的钻孔力、扭矩、出孔质量和钻孔表面粗糙度，研究了超声波振动对机械载荷和加工质量的影响。结果表明，RUM的钻孔力和扭矩分别比CD降低了23%和47.6%。此外，随着主轴转速的增加，钻孔力和扭矩的降低幅度逐渐减小，而随着进给率的增加，钻孔力和扭矩的降低幅度略有变化。在相同条件下，RUM的出孔优于CD。此外，由于片状脆性断裂和碳纤维断裂产生的凹坑较少，RUM得到的钻孔表面粗糙度低于CD，最大降低了23%，图17给出了采用CD和RUM加工后的C/SiC表面形貌。

Wang等^[45]研究开发了一种用于C/SiC旋转超声波加工(RUM)的新型复合阶梯锥度金刚石芯钻头，进一步提高出孔质量。为评估新型钻头的效果，进行了对比加工试验。试验结果表明，这种复合钻头可使撕裂尺寸平均减小30%。方差分析结果表明，复合钻头的撕裂尺寸与加工变量的关系不大，而普通钻头则有很大的关系。复合钻头之所以能减小撕裂尺寸，是由于其锥面的再加工效果。在锥面的再加工过程中，孔出口处的推力逐渐减小，提高超声波振幅有助于进一步改善复合钻的出孔质量。

图  17  传统钻孔(a)及旋转超声波加工(b)的C/SiC表面形貌^[44]

Figure  17.  C/SiC surface morphology of conventional drilling (a) and rotary ultrasonic machining (b)^[44]

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RUM作为一种表面强化加工方法，被创新性地用于C/SiC复合材料的加工，以提高其抗疲劳性能。Xue等^[46]进行了静态拉伸、间歇疲劳和剩余强度测试。由于高频低幅振动的持续冲击，表面残余压应力最大接近2.0 GPa。加载/卸载试验证明，纤维中的轴向热残余应力达到−662.4 MPa。疲劳损伤参数的峰值明显降低。由于残余压应力的存在，RUM表面抑制了大部分界面裂纹，阻碍了纤维裂纹的生长，从而提高了加工表面质量。平均损伤率降低了80.5%。疲劳后，RUM-C/SiC的残余抗拉强度得到了提高，抗拉强度提高了95.8%。

由于突出的各向异性和异质性，纤维损伤会直接影响C/SiC零件的使用性能，表面质量与纤维断裂机制密切相关。Xue等^[47]分析了C/SiC复合材料旋转超声波铣削(RUM)的纤维去除过程，提出了一种基于超声振动的纤维断裂应力计算方法。高频、低振幅振动改变了纤维切削角，通过将摩擦从纤维轴向部分偏转到径向部分，增加了纤维剪切应力，这极大地促进了剪切断裂模式成为主要的去除机制。剪切断裂模式下的纤维切割角比例扩大了30%。随后进行了RUM和传统铣削(CM) C/SiC复合材料的试验。试验结果表明，纤维切削角直接影响C/SiC复合材料的表面形态。RUM表面加工质量更好，分层、纤维/基体脱粘长度和纤维拔出损伤更小。在纤维正切和反切过程中，表面粗糙度S_a值分别降低了26.8%和40.6%。

RUM切削力预测有助于优化输入变量，减少CMCs加工缺陷。Wang等^[48]实验分析了不同纤维方向、超声波振幅和主轴转速下孔洞表面的微观结构特征，发现C/SiC复合材料在RUM加工过程中的纤维断裂机制。结果表明，纤维切削方向和切削速度对C/SiC复合材料RUM表面形貌有显著影响。刀具超声波振动可通过改变纤维断裂机制改善C/SiC 复合材料RUM的孔表面质量。在超声波振动的作用下，纤维切削方向趋向 90^o，切削速度也随之提高。相反，由于切削速度对表面粗糙度的非单调效应，只有当主轴转速相对较低时，较高的超声波振幅才明显有助于孔表面质量的进一步改善。Islam等^[49]研究了基于材料去除机制的压痕断裂理论，并考虑穿透轨迹和能量守恒定理，为C/SiC复合材料的旋转超声波面铣(Rotary ultrasonic face milling，RUFM)建立了轴向切削力数学模型，通过设计的成套实验进行了验证。研究了轴向切削力和表面粗糙度与主轴转速、进给量和切削深度等切削参数的关系，采用相关分析法分析了切削参数对RUFM加工的影响，并采用了响应面方法来优化切削参数。

超声振动辅助加工CMCs可有效降低切削力，降低刀具与切削间的摩擦因数，提高加工效率、加工表面质量和刀具寿命。

2.3   激光加工方法

激光加工是利用高能量密度的激光束使工件材料去除、变形、改性、沉积或连接等的加工技术。激光加工属于非接触加工，不产生机械应力，不存在刀具磨损和替换等问题，适合加工CMCs等高硬度、高脆性材料。激光包括脉冲激光和连续激光两类，其中脉冲激光如纳秒、皮秒和飞秒激光等的单脉冲能量很高。

杨金华等^[50]采用纳秒和毫秒激光对SiC/SiC复合材料进行制孔，对于直径0.6 mm、倾斜角度为25^o的冷却孔，纳秒激光加工时长是毫秒激光的8.7倍，毫秒激光加工的孔内部、孔出口端与入口端均存在残留物，孔周边存在明显的氧化区与热影响区；而纳秒激光加工的孔内部无明显残留物，无明显氧化区与热影响区。

Zhang等^[51]利用高功率皮秒激光在C/SiC复合材料上钻微孔，分析了不同加工参数(包括螺旋线宽度和间距、加工时间和扫描速度等)的影响。为了表征加工孔质量，采用扫描电子显微镜(SEM)分析表面形貌，使用能量色散光谱(EDS)和X射线光电光谱(XPS)描述未处理区和激光处理区之间的元素组成变化。试验结果表明，上述所有参数对微孔的形状和深度等质量都有显著影响。此外，在加工表面还观察到由C、Si和O组成的碎屑。加工后，SiC基体中的Si—C键转变为Si—O键。

Liu等^[52]通过皮秒激光在C/SiC复合材料上加工微孔，研究了能量密度和进给速度对微孔的影响，分析了2.0 mm和3.0 mm厚度试样上加工孔的形态和元素组成。结果表明，能量密度和进给速度对微孔的质量都有显著影响，尤其是对微孔的出口侧和横截面，而入口侧钻孔的圆度受能量密度和进给速度的影响较小。此外，加工碎屑对微孔质量也有重要影响。

Zhai等^[53]使用800 nm飞秒激光加工了C/SiC复合材料，通过理论计算和波光学模拟对结果进行了分析。在烧蚀试验中，比较了激光功率、离焦距离和扫描速度等不同参数下的SiC形态。结果发现，C/SiC表面加工前的粗糙度会明显影响烧蚀效果，在高通量飞秒激光下加工的C/SiC微槽质量相对较高，而且通过氩气保护可有效控制加工区域的边缘氧化。

Wang等^[54]利用皮秒激光和飞秒激光对C/SiC复合材料进行了高质量、高效率的超短加激光表面微加工，分别对皮秒激光和飞秒激光加工后的C/SiC复合材料的表面形貌、元素含量和结合状态进行了对比分析。在飞秒激光加工中，纳米粒子的数量随着激光功率的增加而增加。在20 mW和50 mW时，纳米颗粒中存在Si—C、C—C和Si—O键，而在70 mW时，Si—C键消失。在皮秒激光加工中，形成了明显的菜花状颗粒和具有一定深度的周期性波纹。此外，还出现了热烧蚀现象，由于碳纤维和碳化硅基体的氧化，颗粒中只存在 Si—O 键。结果表明，与高功率皮秒激光相比，低功率飞秒激光更适合表面加工，加工质量更好，加工损伤更小。

Zhai等^[55]采用波长为1030 nm的高重复频率飞秒激光加工SiC/SiC复合材料，在飞秒激光烧蚀试验中，对比分析了不同激光功率、重复频率、扫描时间和扫描速度下的SiC/SiC复合材料加工形貌。结果发现，表面氧化是SiC/SiC复合材料高频飞秒激光加工过程中的一个明显缺陷，随着激光功率、重复频率和扫描时间的增加，氧化现象越来越明显，而随着扫描速度的增加，氧化现象有所减少。图18所示的是飞秒激光加工SiC/SiC复合材料机制和试验情况。飞秒激光去除SiC/SiC复合材料是一个复杂的物理化学过程，包含激光能量的吸收、热传导、雪崩电离、等离子体膨胀、液相爆破和其他过程。当激光能量和光斑重叠率较高时，材料去除过程以光热效应为主导，此时复合材料发生融化并飞溅出来；由于表面张力作用，飞溅出来的熔融物质将分散并收缩成为颗粒，从而形成观察到的火花现象，如图18(a)所示。当激光能量和光斑重叠率较低时，材料去除过程以光化学效应为主导，此时复合材料吸收多光子能量后发生电离，形成等离子体，如图18(b)所示。

图  18  飞秒激光加工SiC/SiC复合材料机制^[55]

Figure  18.  Femtosecond laser processing mechanism of SiC/SiC composites^[55]

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由于CMCs构件气膜孔多是空间立体设置的，所用激光设备多是由精密五轴机床平台(摇蓝式五轴机构)和激光发生器所组成。五轴平台依程序对工件进行空间位置变换(必要时可使用定位夹具)，满足激光加工器对工件的定位要求。激光发生器由参数控制对工件部位进行加工。由于激光发生器加工光源可控，激光加工设备可以进行直孔、方孔、异形孔和窄槽的加工。激光是呈射线型式发出的，在加工密闭工作时要防止对工作另一面的误伤，需要进行加工前的保护。图19所示的是某CMCs叶片加工工艺示意图，需要对特定面进行防护，避免因激光加工深度不可控而引起的加工错误。

图  19  SiC/SiC叶片激光加工工艺示意图

Figure  19.  Schematic diagram of laser machining process of SiC/SiC blade

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水导激光加工技术的原理是将高功率脉冲激光束耦合到细如发丝的低压水射流中，激光在水射流和空气界面处发生反射，沿着水射流路径传播，激光能量全部作用到工件表面上，不会穿过水射流而损失。水射流冷却切削区，减小了激光热影响区；同时水射流将切屑冲刷带走，避免了切屑累积或重凝在加工表面。图20给出了水导激光加工原理的示意图^[56]。采用水导激光可以完成大深度微孔的制备，图21给出了水导激光加工SiC/SiC复合材料圆孔形貌，可以看到，入口和出口的圆度都非常好，边缘没有纤维的断裂和缺失，孔内壁较整齐，没有熔渣堆积现象，材料去除质量好^[57]。水导激光的加工能力在很大程度上仍然受到水射流稳定性的限制。在水导激光喷射过程中，基材表面可能会形成水层，这也为充分烧蚀设置了障碍。Cheng等^[58]引入了一种新型同轴螺旋气体氛围，以提高水导激光的加工能力，分析了气体组分和压力对水射流稳定长度和表面水层状态的影响，实现了最大深宽比为13.6的沟槽和贯通切割。

图  20  水导激光加工原理示意图^[56]

Figure  20.  Basic principle of the water jet-guided laser technology^[56]

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图  21  水导激光加工SiC/SiC复合材料圆孔形貌^[57]

Figure  21.  Circular hole morphology of SiC/SiC composite under water-guided laser processing^[57]

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相比传统激光加工，水导激光加工优势如下：

(1)水射流是圆柱体结构能使传导的激光平行输出，因此激光切割面高度平行，对比纳秒、飞秒等脉冲激光加工，所加工内嵌孔的锥度要小很多；

(2)加工深度取决于高压水的有效导流长度，长度可以超过100 mm，试验证明，其所加工内嵌孔的深径比可以超过25∶1，而且不需要昂贵的聚焦光学系统；

(3)水导激光降低了脉冲激光加工对材料的热损伤，提高了切割边缘的均匀性；

(4)因加工表面有水的存在，有效防止了激光烧蚀后熔融物附着在加工表面。

3.   结 论

陶瓷基复合材料(CMCs)内嵌孔加工技术主要包括机械加工、超声辅助加工、脉冲激光加工、水导激光加工等。各加工方法均有各自的技术优势，可以在内嵌孔的加工质量、加工效率、加工成本等多方面做出优选。

(1)针对CMCs的超高硬度和脆性大的特点，直径小于0.5 mm以下的内嵌孔及宽度小于0.5 mm窄槽，深径比小于15∶1异形孔、异形槽等，可以优先选择脉冲激光加工，并做好加工构件的及时降温和除屑，防止热影响和余屑造成加工质量不良。对深径比大于15∶1、直径小于0.5 mm的内嵌孔，或者对热影响区域有过高要求的加工孔，可以选择水导激光进行加工。

(2)对直径大于0.5 mm的内嵌孔加工，可以选择机械加工中心(三轴、五轴)设备。刀具选择电镀金刚石、烧结金刚石类型，金刚石粒度不大于200#，以保证刀具的切削力，选择合适的加工参数(例如主轴转速、进刀速度等)和加工方式，防刀具断裂、让刀、孔口崩裂等现象。

如果不考虑成本问题，在有效防止热影响区域的条件下，激光加工可以被广泛用于各种内嵌孔的加工。