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【复材技术】陶瓷基复合材料加工工艺简评

中国先进制造技术论坛2019-06-06 00:02:50

陶瓷基复合材料的总体加工需求

航空、航天发动机的推重比与其热端部件的工作温度密切相关。长期以来,工程界致力于发展高温合金以提高工作温度。发动机的核心热端部件主要包括燃烧室、涡轮和加力燃烧室。下一代航空发动机的推重比大于12,要求提高热端部件的工作温度到接近2000K。这要求更新设计,使用陶瓷基复合材料(CMC)、单晶叶片等新材料和三维异型孔等先进冷却结构。这对制造能力形成了巨大挑战[1-4]。本文在综述陶瓷基复合材料加工的基础上提出该领域需要进一步解决的问题。

如图1所示,陶瓷基复合材料功能器件的生产需要多方面的工业基础。首先是前驱体和碳化硅(SiC)纤维的制造——制造高强度,高连续性,较低成本的纤维是目前国际竞争的热点。要将纤维变为各种功能结构件,可以将纤维编织成三维形体,再烧结致密化。国内多采取该方法,主要原因是三维空间的强度较层层叠加容易保证。但是,对于像飞机发动机叶片这样带内部细微型腔结构的部件来讲,直接三维编织的技术方案可能面临技术上限。西方国家为了制造新一代发动机,需要复杂曲面的CMC发动机叶片,采取了内核层层叠加,外边编织保护的总体思路。先将连续的碳化硅纤维制成预浸体,成为可粘接预浸体层;然后通过精密预浸体切片与装配形成复杂构件的几何体,随后附加外包层。这样的三维体在石墨箱体内将单晶硅高温浸润注入,实现致密化;施加表面环境保护层后,成为结构件的雏形。要成为合格的航空航天产品,必须对雏形进行修边,钻孔,微槽等一系列精密去除加工。对发动机叶片来讲,一般还需要打冷却孔,安装孔;对机匣封装片来讲,一个关键任务是加工狭窄连接面上的微槽以实现最大限度的高温区封装。精密去除加工是提高CMC功能件成功率的关键步骤,否则,再高质量的纤维和三维致密体,都可能因为加工缺陷前功尽弃。

CMC器件的成功应用还必须解决另外两大难题。首先是界面保护层EBCEnvironmental Barrier Coating)的牢固施加,其目的是保证复杂高温环境下服役的长期性能稳定性[5-7]。国内由于业内进展原因尚未重视这个问题,但西方在进入发动机实质验证阶段后就面临了CMC高温蠕变特性欠佳的难题。如何通过精密加工提高CMCEBC的结合力成为研究热点。其次,CMC部件的修复必然在未来服役过程中成为重要问题。金属基的飞机发动机构件维修已经是可行的和必须的,复合材料部件的维修目前尚未有非常成熟的技术路径。

总体上,针对未来CMC发动机的研发需求,应该重点研究的去除加工工艺有:(1CMC预浸体的精密切片和组装工艺;(2CMC致密件的精密低损伤低成本切边、打孔、刻槽、标识工艺;(3CMC的三维曲面和安装孔成型工艺;(4CMC表面的精密磨、抛及微织构处理技术(为EBC的高质量施加奠定基础)。相关的几何结构从微米级到宏观尺寸。

CMC材料由SiC基体和SiC纤维组成,SiC本身就是超硬脆性材料,其硬度介于刚玉和金刚石之间,莫式硬度为9.5[8]。材料本身的不均匀性,超高的硬度,较大的脆性使得CMC的加工面临一系列困难。航空发动机对CMC的加工要求至少100μm的分辨率,关键部位如冷却孔、密封槽等要求达到尽可能高的光洁度,避免微裂纹。下面就国内外CMC的加工技术进展进行介绍。

CMC典型加工技术比较

1 SiC纤维预浸体精密切片

普通碳纤维预浸体已经有相对成熟的切片工艺。对SiC纤维来讲,由于纤维的高硬度,使得普通的切片刀具快速磨损钝化。这类切片,一般由镀金刚石的微型锯片旋转切割实现,预浸体附着在含真空吸附功能的床体上。为了提高切割速度,减小切割力,一些机床配备了超声辅助震动。但是,依赖传统机械加工的切片容易造成卷边和纤维破坏的问题,此外,目前机械系统的分辨率一般在1mm以上,造成昂贵材料的直接浪费,对航空应用其分辨率也有待进一步提高。该领域的工艺创新很有必要。

2 CMC致密件的加工工艺比较

CMC致密件的加工主要包括切边、钻孔、三维成型和微槽成型,表1概括了各种工艺的特点和对各种功能结构加工所对应的总体能力(0为不适用,高中下),成本(高中低)和制造成熟度(0~99为可以成熟生产),“?”表示尚未探索。

2.1 精密修边

CMC器件雏形往往需要精密切边以实现配合所需的精度。在CMC材料的研制过程中,需要将平板CMC加工成疲劳及拉伸测试件等。CMC的厚度一般在6mm以内,少数超过10mm。切边的主要质量要求是:加工的一致性,如宽度的加工误差分布;加工上下表面完整性,有无崩边剥落;有无微裂纹和热影响区;加工面的粗糙度如何;加工速度如何;成本如何等。

目前业内主要依靠金刚石刀具磨削进行精密切边,包括一些大的圆弧,采用成型磨具磨削成型。其优点是尺寸可以精确控制,磨削面光洁度较好。缺点是刀具磨损严重,导致加工一致性较难控制;此外,很难完全避免上下面的崩口现象。

水刀利用高速磨粒冲击实现切割,常规分辨率在0.5mm以上,切缝往往高达1mm。优点是切割速度和深度能力好,缺点是容易造成材料的撕裂和表面崩口,并容易造成切口附近区域的损伤。总体上,目前的水刀技术不宜用于精密CMC修边,但可以用于粗加工。微细水刀或许可以提供新的可能性。美国福禄微细水刀的分辨率可以达到80~200μm,目前已经在军工系统应用,但该项技术对国内出口禁运。国内水刀厂家目前只有普通水刀技术,2015863指南才提出将切割分辨率降至0.5mm以内。

电火花加工(Electro-Dischange MachiningEDM)用成型工具和工件间的放电热效应实现去除加工。CMC有微电导性,可以实施EDM。国外尝试过增加CMC导电性以更好地使用EDM工艺。对精密修边来讲,EDM技术可以使用,但速度偏慢。

普通超声加工依靠工具高频振动带动磨粒去除材料。由于CMC的高硬度,超声刀具的磨损可能达到CMC磨损量的1倍以上。相对来讲,超声加工没有热影响,尺寸控制较好,但前提是可以补偿刀具磨损。其一大缺点是必须先制作成型工具,并且加工速度偏慢,成本偏高。

旋转超声加工(Rotary Ultrasonic MachiningRUM)是一种值得关注的工艺[9]。该工艺将中空金刚石刀具高速旋转,同时施加轴向振动,还可以施加同轴冷却。由于不需要外加磨粒,加工较为方便。目前该工艺不太适用于精密切边,因为中空刀具的外径一般大于2mm,切缝偏大。微细RUM或将提供新的加工能力。这对制作微型金刚石刀具提出了新挑战。另外,RUM加工脆性材料的崩边问题尚未很好解决。

激光加工由于其非接触性不存在工具磨损问题,所以加工一致性较好。使用长脉冲激光(脉宽0.5μs以上),很难避免激光的热影响,导致热影响区偏大和微裂纹很难避免等问题。国外近年来全面研究了激光功率,波长,脉冲时间和保护气的效应,发现在绿光高功率纳秒及更短脉冲条件下可以实现高质量的CMC加工。该工艺已经应用于疲劳试件切割等加工任务,避免了微裂纹和表面剥落等其他工艺的弊病,并且可以实现50μm左右分辨率的加工。上述特种加工工艺请参考文献[10-11]

2.2 钻孔

CMC器件的孔加工主要是安装孔和冷却孔。安装孔尺寸一般在3mm以上,而冷却孔一般在1mm以内。沉积金刚石的钻头,水刀,电火花和超声都可以钻大孔,但是普遍难以解决层裂和表面剥落难题。激光加工在短脉冲激光情况下已经可以以高质量钻削CMC,激光钻孔是升华磨削的过程。激光加工较厚材料时往往出现锥度偏大的问题,这可以通过施加倾角旋转来补偿。

微孔加工由于尺寸小,使得机械刀具,水刀,EDM和超声加工都面临分辨率或磨损问题。小孔情况下,上下面的剥落更为严重。激光具有对比工艺中的最高分辨率,对倾角等不敏感,可以较好完成高质量浅孔加工任务。对于10mm以上的深孔加工,激光加工必须进一步解决锥度问题。如何提高深度能力是激光微细加工的普遍难题。水助激光加工提供了新的可能性[12]

CMC叶片上如果能实现异型冷却孔将进一步发挥CMC的高温性能,就像高温合金一样,有效冷却减轻耐热负担。异型孔需要CMC精密铣削能力,这将成为国际竞争热点。

2.3 微槽成型

发动机热端需要用CMC构件一段一段地密封起来,以便用小尺寸部件完成大型腔体的封装。CMC密封片侧面之间需要加工出宽0.2mm左右、深2mm左右的微槽,以施加连接片。其密封性能直接影响发动机的热端效率。国外已经对超声,电火花和激光加工进行了严格工艺对比,并通过气体试验研究加工面形精度、粗糙度与漏气率之间的关系。结果表明,电火花加工精度居中,表面质量最差,密封性最差;超声加工尺寸精度最高,表面质量居中,密封性居中;优化的激光加工尺寸精度居中,表面质量最好,密封性最好。此外,激光加工分辨率最高,加工速度占优,可以在线反馈控制,加工一致性好。超声加工需要先加工精密工具,工序繁琐,一致性取决于磨粒流等多重因素,较难控制。总体上,精密激光加工在微槽加工工艺上占优。激光加工的难点在于避免末端效应,因为脉冲激光扫描在两端处于零速度状态,控制不好就容易出现局部过深,应力集中现象。

2.4 三维成型

CMC材料上的安装孔,传感检测器件的安装槽等需要三维加工能力。金刚石铣刀可以用于大尺寸的三维成型,但磨损严重,成本高。一种混合工艺是将激光密集钻孔与金刚石铣削刀具相结合。这样,高功率激光先快速把加工区域变成蜂窝状,铣刀再介入,实现推土机式的大块儿CMC 去除。该工艺极大地提升了加工效率,节省了刀具,尤其是对于宏观的CMC挖槽来讲。

水刀一般用于穿透性切割,图2则展示了金属陶瓷复合材料的水刀雕刻。精细水刀可以用于CMC的三维雕刻,只是国产系统尚不具备微细加工能力。微细水刀技术的研究应该引起充分重视。

电火花加工一般由于其较大的热效应和较慢的去除率,不是3D成型工艺的好选择。但是,一旦对CMC材料进行了导电性的改性,EDMCMC的加工性能将大为改观,该方向值得关注。

超声加工适合于脆性材料的3D成型,但若直接依赖于成型工具则速度偏慢,成本高昂,补偿难度大。旋转超声加工的铣削性能研究不多,在提高分辨率后可望提供较好的三维铣削加工能力。

短脉冲激光加工在三维成型方面具备较大的优势,其加工速度高,可以避免微裂纹,加工成本低,见下文详细结果。

在中国发展CMC材料的阶段就必须充分重视CMC精密低损伤加工技术,否则,材料制备工艺与制造工艺缺陷将缠绕不轻,阻碍技术进步。如疲劳试件的加工一致性不好,将干扰材料试验。图3比较了金刚石刀具,水刀和激光切割的某国产CMC材料的端面。可以明显看出,金刚石刀具和水刀切割由于属于机械力切割,端面呈现硬性撕裂断裂特征,纤维可能局部被拔出;纳秒激光切割则呈现出相对光整的端面,一根根纤维清晰可见,纤维与基体间呈现良好的连接。激光加工表现出一定的热效应,在较短的脉冲下,这样的热效应有融化基体增强界面的可能性。各类工艺出现微裂纹的可能性有很大区别,这在高端应用中必须关注,尤其是承担交变载荷的部件。

总体看来,CMC的精密去除加工面临精密、高速和低损伤之间的矛盾需求。精密低损伤加工是降低CMC器件制造成本的必要条件。短脉冲激光加工潜力突出,下边作进一步介绍。

CMC激光加工的新进展

如图4、图5所示,采用纳秒脉冲激光的高速扫描方法,国内团队成功实现了国产3mmCMC材料的复杂形状精密低损伤加工,包括疲劳测试件和拉伸测试件的加工,以及从0.125~10mm直径的孔钻削,以及三角凹槽的三维加工。如图5所示,高功率纳秒激光器在适当的脉冲宽度和扫描速度下,可以实现高分辨率的凹槽加工,其表面和侧面加工完整性良好,在激光共聚焦显微镜的观察中没有发现微裂纹。

近年来,超短脉冲激光器的功率稳步提升,市场上已经出现300W甚至1000W功率的皮秒和飞秒激光器,这些激光器为超高速激光微细加工奠定了基础。当脉冲宽度小于10ps时,激光加工的去除机理主要是升华加工,热影响相对纳秒脉冲进一步降低。但是,超短脉冲激光的脉冲能量一般较低,导致加工深度的局限性。

脉冲激光加工的深度能力受限于脉冲能量,也受聚焦光学系统的限制,如聚焦透镜的焦距大小等因素。为了突破传统的激光加工深度极限并抑制热效应,水助激光加工应运而生。欧洲SYNOVA公司发明的Microjet激光加工技术,GE公司发明的液核光纤激光加工技术[12]最具代表性。水助激光加工将脉冲激光能量耦合进流动的水柱或中空的光纤中,在激光作用的瞬时,材料升华去除,激光能量结束则液体的冷却效应为主,从而控制热影响区。流动的水流可以保持加工区域的稳定性和协助排屑。此外,水助激光加工可以减小激光加工的锥度。中科院宁波所正对水助激光加工的可靠性和分辨率进行革新。哈工大等也对水助激光加工进行了深入研究,分辨率已经可以达到50μm以下。

展望

陶瓷基复合材料的精密加工是其功能化的关键步骤。由于其硬度高,一般多用金刚石工具进行切、磨、钻。其产业化要求实现精密低损伤和高速低成本。经典的特种加工,如电火花、水刀、超声、激光等需要一系列革新以满足加工要求。其中,精密水射流加工,精密旋转超声加工,短脉冲高功率激光加工和改性CMC以便利EDM加工的技术思路值得关注。此外,环境保护层的高温蠕变特性必须在实用前得到提高和检验。发展高分辨率精密低损伤技术将进一步发挥CMC材料的特殊优势,如异型冷却孔,以及3D凹槽等。形状的改进导致了总体冷却有效性从1970年的0.3提高到如今的超过0.6。因此,在重视CMC材料自身高温特性的同时,可以同时关注其三维成型能力,因为这样的先进冷却结构可以降低对材料的热承载要求。这对当前阶段的国产CMC应用有现实意义。

国产CMC正全力突破从纤维到粗成型,到精密加工的全链条工艺,采用二维叠加与三维编织结合的技术思路可能是复杂部件制造的必由之路。若如此,预浸体的精密切割和装配技术应该及早同步重视。CMC的精密成型能力不仅仅影响飞机发动机,还直接惠及各种发电机甚至广义来讲,能量发生装置。在工艺成熟后,CMC材料的价格可能大幅度下降,从而获得更广泛的应用。

最后,CMC材料的三维复杂加工能力可望将此类材料的应用广泛化,就像钢铁的应用一样,最终影响了整个工业。CMC材料的基本元素是CSiN等地壳丰富元素,具备长期可持续性。可以进一步考虑改善其导电性,导电性的提高可以改变其电加工性。

作为耐磨阻热绝缘材料,其应用绝不会局限在目前的航空结构件上,而是可能催生更多的功能件。比如本文揭示的微型齿轮等耐高温零件等,配合精密抛光技术,有可能开辟高温材料微型器件的新领域。CMC的精密加工是一项基础性工作,与其他领域交叉可以开拓更宽的领域,应该发掘其卓越的高温性能在高温传感、传动、执行方面的潜力。