碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料（SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料）具有耐高溫、抗氧化、高比剛度、高比強(qiáng)度等特性，是先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫構(gòu)件的理想材料。

      然而，隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷提升，單純依靠SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料已難以抵御高溫燃?xì)猸h(huán)境。為了提高構(gòu)件的服役性能，需采用氣膜冷卻技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)在構(gòu)件表面設(shè)計(jì)氣膜孔，將冷卻氣體輸送到構(gòu)件表面，形成冷卻氣膜以隔離高溫燃?xì)?，從而顯著提升SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料的服役性能。

       SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料氣膜孔具有直徑小、深徑比大、錐度小等結(jié)構(gòu)特征，又具有硬脆、分解溫度高、各向異性、非均質(zhì)等材料特點(diǎn)，屬于典型的難加工材料。因此，如何實(shí)現(xiàn)SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料氣膜孔的高質(zhì)量加工，已成為亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

       針對(duì)SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料氣膜孔所面臨的精密加工需求，大連理工大學(xué)董志剛教授團(tuán)隊(duì)開展了水導(dǎo)激光環(huán)切制孔工藝研究，深入探究了激光單脈沖能量、掃描速度及水束壓力等關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)小孔出入口形貌、錐度的影響規(guī)律，成功實(shí)現(xiàn)了直徑為500 µm、深徑比為8 的近無(wú)錐度小孔的高質(zhì)高效加工，如圖1和圖2所示。這一研究成果可為后續(xù)水導(dǎo)激光加工SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)合材料氣膜孔提供了可靠的工藝支撐。

圖1 小孔出入口形貌

圖2 小孔孔壁微觀形貌

       首先，課題組提出了兩步飛秒激光旋切加工方法，由底孔加工和成孔加工兩步組成。底孔加工為粗加工，快速將孔打通形成具有排屑功能的底孔；成孔加工為精加工，去除底孔錐度區(qū)的材料，加工出近無(wú)錐度的成孔。兩者結(jié)合解決了SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料小孔加工質(zhì)量與加工效率難以兼顧的問(wèn)題。

       此外，課題組提出水導(dǎo)激光環(huán)切加工方法，利用高壓水射流引導(dǎo)激光，兼具高效冷卻和沖刷碎屑功能，高速水射流即時(shí)排屑避免了二次沉積，持續(xù)冷卻抑制了熱累積與熱損傷，具有加工距離長(zhǎng)，無(wú)加工殘?jiān)图庸ば矢叩葍?yōu)勢(shì)，目前課題組用時(shí)90 s加工出直徑400 μm、深徑比10的近無(wú)錐度小孔，實(shí)現(xiàn)了SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料大深徑比小孔的高質(zhì)高效加工。

       飛秒激光在抑制加工損傷和實(shí)現(xiàn)高精度小孔加工成果顯著，而水導(dǎo)激光在大深徑比和低氧化損傷加工上優(yōu)勢(shì)明顯，兩者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可解決SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料小孔加工質(zhì)量與加工效率難以兼顧的問(wèn)題，為下一代先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心高溫構(gòu)件氣膜孔加工提供技術(shù)支撐。

       在后續(xù)工作中，團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)聚焦曲面構(gòu)件小孔的加工理論與技術(shù)研究，突破飛秒激光與水導(dǎo)激光五軸聯(lián)動(dòng)加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉片高溫構(gòu)件氣膜孔的加工驗(yàn)證，推動(dòng)該技術(shù)的工程化應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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