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江苏快三开奖和值:【復材技術】陶瓷基復合材料加工工藝簡評

中國先進制造技術論壇2020-03-24 15:00:33

江苏快三开奖跨度查询 www.mhsslm.com.cn 陶瓷基復合材料的總體加工需求

航空、航天發動機的推重比與其熱端部件的工作溫度密切相關。長期以來,工程界致力于發展高溫合金以提高工作溫度。發動機的核心熱端部件主要包括燃燒室、渦輪和加力燃燒室。下一代航空發動機的推重比大于12,要求提高熱端部件的工作溫度到接近2000K。這要求更新設計,使用陶瓷基復合材料(CMC)、單晶葉片等新材料和三維異型孔等先進冷卻結構。這對制造能力形成了巨大挑戰[1-4]。本文在綜述陶瓷基復合材料加工的基礎上提出該領域需要進一步解決的問題。

如圖1所示,陶瓷基復合材料功能器件的生產需要多方面的工業基礎。首先是前驅體和碳化硅(SiC)纖維的制造——制造高強度,高連續性,較低成本的纖維是目前國際競爭的熱點。要將纖維變為各種功能結構件,可以將纖維編織成三維形體,再燒結致密化。國內多采取該方法,主要原因是三維空間的強度較層層疊加容易保證。但是,對于像飛機發動機葉片這樣帶內部細微型腔結構的部件來講,直接三維編織的技術方案可能面臨技術上限。西方國家為了制造新一代發動機,需要復雜曲面的CMC發動機葉片,采取了內核層層疊加,外邊編織?;さ淖芴逅悸?。先將連續的碳化硅纖維制成預浸體,成為可粘接預浸體層;然后通過精密預浸體切片與裝配形成復雜構件的幾何體,隨后附加外包層。這樣的三維體在石墨箱體內將單晶硅高溫浸潤注入,實現致密化;施加表面環境?;げ愫?,成為結構件的雛形。要成為合格的航空航天產品,必須對雛形進行修邊,鉆孔,微槽等一系列精密去除加工。對發動機葉片來講,一般還需要打冷卻孔,安裝孔;對機匣封裝片來講,一個關鍵任務是加工狹窄連接面上的微槽以實現最大限度的高溫區封裝。精密去除加工是提高CMC功能件成功率的關鍵步驟,否則,再高質量的纖維和三維致密體,都可能因為加工缺陷前功盡棄。

CMC器件的成功應用還必須解決另外兩大難題。首先是界面?;げ?/span>EBCEnvironmental Barrier Coating)的牢固施加,其目的是保證復雜高溫環境下服役的長期性能穩定性[5-7]。國內由于業內進展原因尚未重視這個問題,但西方在進入發動機實質驗證階段后就面臨了CMC高溫蠕變特性欠佳的難題。如何通過精密加工提高CMCEBC的結合力成為研究熱點。其次,CMC部件的修復必然在未來服役過程中成為重要問題。金屬基的飛機發動機構件維修已經是可行的和必須的,復合材料部件的維修目前尚未有非常成熟的技術路徑。

總體上,針對未來CMC發動機的研發需求,應該重點研究的去除加工工藝有:(1CMC預浸體的精密切片和組裝工藝;(2CMC致密件的精密低損傷低成本切邊、打孔、刻槽、標識工藝;(3CMC的三維曲面和安裝孔成型工藝;(4CMC表面的精密磨、拋及微織構處理技術(為EBC的高質量施加奠定基?。?。相關的幾何結構從微米級到宏觀尺寸。

CMC材料由SiC基體和SiC纖維組成,SiC本身就是超硬脆性材料,其硬度介于剛玉和金剛石之間,莫式硬度為9.5[8]。材料本身的不均勻性,超高的硬度,較大的脆性使得CMC的加工面臨一系列困難。航空發動機對CMC的加工要求至少100μm的分辨率,關鍵部位如冷卻孔、密封槽等要求達到盡可能高的光潔度,避免微裂紋。下面就國內外CMC的加工技術進展進行介紹。

CMC典型加工技術比較

1 SiC纖維預浸體精密切片

普通碳纖維預浸體已經有相對成熟的切片工藝。對SiC纖維來講,由于纖維的高硬度,使得普通的切片刀具快速磨損鈍化。這類切片,一般由鍍金剛石的微型鋸片旋轉切割實現,預浸體附著在含真空吸附功能的床體上。為了提高切割速度,減小切割力,一些機床配備了超聲輔助震動。但是,依賴傳統機械加工的切片容易造成卷邊和纖維破壞的問題,此外,目前機械系統的分辨率一般在1mm以上,造成昂貴材料的直接浪費,對航空應用其分辨率也有待進一步提高。該領域的工藝創新很有必要。

2 CMC致密件的加工工藝比較

CMC致密件的加工主要包括切邊、鉆孔、三維成型和微槽成型,表1概括了各種工藝的特點和對各種功能結構加工所對應的總體能力(0為不適用,高中下),成本(高中低)和制造成熟度(0~9,9為可以成熟生產),“?”表示尚未探索。

2.1 精密修邊

CMC器件雛形往往需要精密切邊以實現配合所需的精度。在CMC材料的研制過程中,需要將平板CMC加工成疲勞及拉伸測試件等。CMC的厚度一般在6mm以內,少數超過10mm。切邊的主要質量要求是:加工的一致性,如寬度的加工誤差分布;加工上下表面完整性,有無崩邊剝落;有無微裂紋和熱影響區;加工面的粗糙度如何;加工速度如何;成本如何等。

目前業內主要依靠金剛石刀具磨削進行精密切邊,包括一些大的圓弧,采用成型磨具磨削成型。其優點是尺寸可以精確控制,磨削面光潔度較好。缺點是刀具磨損嚴重,導致加工一致性較難控制;此外,很難完全避免上下面的崩口現象。

水刀利用高速磨粒沖擊實現切割,常規分辨率在0.5mm以上,切縫往往高達1mm。優點是切割速度和深度能力好,缺點是容易造成材料的撕裂和表面崩口,并容易造成切口附近區域的損傷。總體上,目前的水刀技術不宜用于精密CMC修邊,但可以用于粗加工。微細水刀或許可以提供新的可能性。美國福祿微細水刀的分辨率可以達到80~200μm,目前已經在軍工系統應用,但該項技術對國內出口禁運。國內水刀廠家目前只有普通水刀技術,2015863指南才提出將切割分辨率降至0.5mm以內。

電火花加工(Electro-Dischange Machining,EDM)用成型工具和工件間的放電熱效應實現去除加工。CMC有微電導性,可以實施EDM。國外嘗試過增加CMC導電性以更好地使用EDM工藝。對精密修邊來講,EDM技術可以使用,但速度偏慢。

普通超聲加工依靠工具高頻振動帶動磨粒去除材料。由于CMC的高硬度,超聲刀具的磨損可能達到CMC磨損量的1倍以上。相對來講,超聲加工沒有熱影響,尺寸控制較好,但前提是可以補償刀具磨損。其一大缺點是必須先制作成型工具,并且加工速度偏慢,成本偏高。

旋轉超聲加工(Rotary Ultrasonic Machining,RUM)是一種值得關注的工藝[9]。該工藝將中空金剛石刀具高速旋轉,同時施加軸向振動,還可以施加同軸冷卻。由于不需要外加磨粒,加工較為方便。目前該工藝不太適用于精密切邊,因為中空刀具的外徑一般大于2mm,切縫偏大。微細RUM或將提供新的加工能力。這對制作微型金剛石刀具提出了新挑戰。另外,RUM加工脆性材料的崩邊問題尚未很好解決。

激光加工由于其非接觸性不存在工具磨損問題,所以加工一致性較好。使用長脈沖激光(脈寬0.5μs以上),很難避免激光的熱影響,導致熱影響區偏大和微裂紋很難避免等問題。國外近年來全面研究了激光功率,波長,脈沖時間和?;て男в?,發現在綠光高功率納秒及更短脈沖條件下可以實現高質量的CMC加工。該工藝已經應用于疲勞試件切割等加工任務,避免了微裂紋和表面剝落等其他工藝的弊病,并且可以實現50μm左右分辨率的加工。上述特種加工工藝請參考文獻[10-11]。

2.2 鉆孔

CMC器件的孔加工主要是安裝孔和冷卻孔。安裝孔尺寸一般在3mm以上,而冷卻孔一般在1mm以內。沉積金剛石的鉆頭,水刀,電火花和超聲都可以鉆大孔,但是普遍難以解決層裂和表面剝落難題。激光加工在短脈沖激光情況下已經可以以高質量鉆削CMC,激光鉆孔是升華磨削的過程。激光加工較厚材料時往往出現錐度偏大的問題,這可以通過施加傾角旋轉來補償。

微孔加工由于尺寸小,使得機械刀具,水刀,EDM和超聲加工都面臨分辨率或磨損問題。小孔情況下,上下面的剝落更為嚴重。激光具有對比工藝中的最高分辨率,對傾角等不敏感,可以較好完成高質量淺孔加工任務。對于10mm以上的深孔加工,激光加工必須進一步解決錐度問題。如何提高深度能力是激光微細加工的普遍難題。水助激光加工提供了新的可能性[12]。

CMC葉片上如果能實現異型冷卻孔將進一步發揮CMC的高溫性能,就像高溫合金一樣,有效冷卻減輕耐熱負擔。異型孔需要CMC精密銑削能力,這將成為國際競爭熱點。

2.3 微槽成型

發動機熱端需要用CMC構件一段一段地密封起來,以便用小尺寸部件完成大型腔體的封裝。CMC密封片側面之間需要加工出寬0.2mm左右、深2mm左右的微槽,以施加連接片。其密封性能直接影響發動機的熱端效率。國外已經對超聲,電火花和激光加工進行了嚴格工藝對比,并通過氣體試驗研究加工面形精度、粗糙度與漏氣率之間的關系。結果表明,電火花加工精度居中,表面質量最差,密封性最差;超聲加工尺寸精度最高,表面質量居中,密封性居中;優化的激光加工尺寸精度居中,表面質量最好,密封性最好。此外,激光加工分辨率最高,加工速度占優,可以在線反饋控制,加工一致性好。超聲加工需要先加工精密工具,工序繁瑣,一致性取決于磨粒流等多重因素,較難控制。總體上,精密激光加工在微槽加工工藝上占優。激光加工的難點在于避免末端效應,因為脈沖激光掃描在兩端處于零速度狀態,控制不好就容易出現局部過深,應力集中現象。

2.4 三維成型

CMC材料上的安裝孔,傳感檢測器件的安裝槽等需要三維加工能力。金剛石銑刀可以用于大尺寸的三維成型,但磨損嚴重,成本高。一種混合工藝是將激光密集鉆孔與金剛石銑削刀具相結合。這樣,高功率激光先快速把加工區域變成蜂窩狀,銑刀再介入,實現推土機式的大塊兒CMC 去除。該工藝極大地提升了加工效率,節省了刀具,尤其是對于宏觀的CMC挖槽來講。

水刀一般用于穿透性切割,圖2則展示了金屬陶瓷復合材料的水刀雕刻。精細水刀可以用于CMC的三維雕刻,只是國產系統尚不具備微細加工能力。微細水刀技術的研究應該引起充分重視。

電火花加工一般由于其較大的熱效應和較慢的去除率,不是3D成型工藝的好選擇。但是,一旦對CMC材料進行了導電性的改性,EDMCMC的加工性能將大為改觀,該方向值得關注。

超聲加工適合于脆性材料的3D成型,但若直接依賴于成型工具則速度偏慢,成本高昂,補償難度大。旋轉超聲加工的銑削性能研究不多,在提高分辨率后可望提供較好的三維銑削加工能力。

短脈沖激光加工在三維成型方面具備較大的優勢,其加工速度高,可以避免微裂紋,加工成本低,見下文詳細結果。

在中國發展CMC材料的階段就必須充分重視CMC精密低損傷加工技術,否則,材料制備工藝與制造工藝缺陷將纏繞不輕,阻礙技術進步。如疲勞試件的加工一致性不好,將干擾材料試驗。圖3比較了金剛石刀具,水刀和激光切割的某國產CMC材料的端面??梢悅饗鑰闖?,金剛石刀具和水刀切割由于屬于機械力切割,端面呈現硬性撕裂斷裂特征,纖維可能局部被拔出;納秒激光切割則呈現出相對光整的端面,一根根纖維清晰可見,纖維與基體間呈現良好的連接。激光加工表現出一定的熱效應,在較短的脈沖下,這樣的熱效應有融化基體增強界面的可能性。各類工藝出現微裂紋的可能性有很大區別,這在高端應用中必須關注,尤其是承擔交變載荷的部件。

總體看來,CMC的精密去除加工面臨精密、高速和低損傷之間的矛盾需求。精密低損傷加工是降低CMC器件制造成本的必要條件。短脈沖激光加工潛力突出,下邊作進一步介紹。

CMC激光加工的新進展

如圖4、圖5所示,采用納秒脈沖激光的高速掃描方法,國內團隊成功實現了國產3mmCMC材料的復雜形狀精密低損傷加工,包括疲勞測試件和拉伸測試件的加工,以及從0.125~10mm直徑的孔鉆削,以及三角凹槽的三維加工。如圖5所示,高功率納秒激光器在適當的脈沖寬度和掃描速度下,可以實現高分辨率的凹槽加工,其表面和側面加工完整性良好,在激光共聚焦顯微鏡的觀察中沒有發現微裂紋。

近年來,超短脈沖激光器的功率穩步提升,市場上已經出現300W甚至1000W功率的皮秒和飛秒激光器,這些激光器為超高速激光微細加工奠定了基礎。當脈沖寬度小于10ps時,激光加工的去除機理主要是升華加工,熱影響相對納秒脈沖進一步降低。但是,超短脈沖激光的脈沖能量一般較低,導致加工深度的局限性。

脈沖激光加工的深度能力受限于脈沖能量,也受聚焦光學系統的限制,如聚焦透鏡的焦距大小等因素。為了突破傳統的激光加工深度極限并抑制熱效應,水助激光加工應運而生。歐洲SYNOVA公司發明的Microjet激光加工技術,GE公司發明的液核光纖激光加工技術[12]最具代表性。水助激光加工將脈沖激光能量耦合進流動的水柱或中空的光纖中,在激光作用的瞬時,材料升華去除,激光能量結束則液體的冷卻效應為主,從而控制熱影響區。流動的水流可以保持加工區域的穩定性和協助排屑。此外,水助激光加工可以減小激光加工的錐度。中科院寧波所正對水助激光加工的可靠性和分辨率進行革新。哈工大等也對水助激光加工進行了深入研究,分辨率已經可以達到50μm以下。

展望

陶瓷基復合材料的精密加工是其功能化的關鍵步驟。由于其硬度高,一般多用金剛石工具進行切、磨、鉆。其產業化要求實現精密低損傷和高速低成本。經典的特種加工,如電火花、水刀、超聲、激光等需要一系列革新以滿足加工要求。其中,精密水射流加工,精密旋轉超聲加工,短脈沖高功率激光加工和改性CMC以便利EDM加工的技術思路值得關注。此外,環境?;げ愕母呶氯潯涮匭員匭朐謔滌們暗玫教岣吆圖煅?。發展高分辨率精密低損傷技術將進一步發揮CMC材料的特殊優勢,如異型冷卻孔,以及3D凹槽等。形狀的改進導致了總體冷卻有效性從1970年的0.3提高到如今的超過0.6。因此,在重視CMC材料自身高溫特性的同時,可以同時關注其三維成型能力,因為這樣的先進冷卻結構可以降低對材料的熱承載要求。這對當前階段的國產CMC應用有現實意義。

國產CMC正全力突破從纖維到粗成型,到精密加工的全鏈條工藝,采用二維疊加與三維編織結合的技術思路可能是復雜部件制造的必由之路。若如此,預浸體的精密切割和裝配技術應該及早同步重視。CMC的精密成型能力不僅僅影響飛機發動機,還直接惠及各種發電機甚至廣義來講,能量發生裝置。在工藝成熟后,CMC材料的價格可能大幅度下降,從而獲得更廣泛的應用。

最后,CMC材料的三維復雜加工能力可望將此類材料的應用廣泛化,就像鋼鐵的應用一樣,最終影響了整個工業。CMC材料的基本元素是C、Si、N等地殼豐富元素,具備長期可持續性??梢越徊嬌悸歉納破淶嫉縲?,導電性的提高可以改變其電加工性。

作為耐磨阻熱絕緣材料,其應用絕不會局限在目前的航空結構件上,而是可能催生更多的功能件。比如本文揭示的微型齒輪等耐高溫零件等,配合精密拋光技術,有可能開辟高溫材料微型器件的新領域。CMC的精密加工是一項基礎性工作,與其他領域交叉可以開拓更寬的領域,應該發掘其卓越的高溫性能在高溫傳感、傳動、執行方面的潛力。