摘要：河南工业大学的科研人员综述报道了陶瓷基复合材料加工研究进展。相关论文以“Advances in the processing of ceramic matrix composites: a review”为题发表在《The International Jour
长三角G60激光联盟导读
河南工业大学的科研人员综述报道了陶瓷基复合材料加工研究进展。相关论文以“Advances in the processing of ceramic matrix composites: a review”为题发表在《The International Journal of Advanced Manufacturing Technology》上。
陶瓷基复合材料（CMCs）具有优异的物理和机械性能、耐磨性、热稳定性以及尺寸完整性等特点，越来越多地应用于航空航天热部件、能源系统和汽车制动领域。然而，其固有的高脆性和正交各向异性在加工过程中带来了巨大挑战。传统加工技术，如铣削或磨削，往往导致材料去除效率低、刀具磨损快以及表面完整性欠佳。相比之下，单一特种加工技术（例如，激光烧蚀和电火花加工）在陶瓷基复合材料加工中展现出更高的效率和更好的表面质量。尽管有这些优势，但此类方法在加工复杂几何形状时，通用性和适应性方面存在局限性。
为了解决这一问题，多功能场复合加工技术应运而生，该技术集成了两种或多种非常规加工工艺（例如，激光辅助超声加工）。这种方法不仅克服了单一方法的局限性，还能协同提高加工精度和材料去除率。本文系统地研究了陶瓷基复合材料加工中的材料去除机理和缺陷产生动态过程。对传统加工技术、单一特种加工技术以及多功能场复合加工技术进行了对比分析，着重探讨了它们各自对表面质量、缺陷形成以及工艺可扩展性的影响。
图1陶瓷基复合材料的应用：a航空航天热截面部件，b高超声速飞行器热防护系统，c飞机制动盘，d高档汽车制动盘
图2过去14年中复合材料加工领域被引频次激增最强的关键词
图3陶瓷基复合材料不同加工工艺内容概述
图4不同纤维取向的材料去除机理和断裂损伤形式
图5不同纤维取向的裂纹扩展路径和划痕表面示意图
图6钻孔间隙表面的扫描电镜（SEM）显微图：a切削刃全长的后刀面磨损。b后刀面磨损局部放大细节
图7刀具磨损的扫描电镜（SEM）显微图
图8不同参数下孔壁的三维表面形貌
图9陶瓷基复合材料中常见的制孔缺陷
图10不同纤维取向、不同深度划痕的表面特征
图11刀具磨损表面形貌
图12不同钻孔数量下螺旋铣刀的磨损显微图
图13磨料水射流（AWJ）工作原理示意图
图14极端加工条件下磨料水射流造成的损伤
图15不同类型损伤的扫描电镜（SEM）显微图
图16两种磨削表面的扫描电镜（SEM）显微图
图17超声振动辅助加工（UVAD）和传统加工（CD）下单晶运动轨迹示意图
图18不同的刀具磨损情况
图19激光辅助加工（LAM）工作原理示意图
图20不同激光加工参数下碳化硅复合材料的微观形貌：a、b低速时孔壁烧蚀形貌。c、d高速时孔壁烧蚀形貌
图21激光辅助加工的两种铣削方式 (a)侧铣(b)槽铣
图22两种加工方法下刀具磨损情况对比
图23金刚石磨粒磨损形态：a无激光诱导烧蚀；b激光诱导烧蚀
图24采用碳化钨电极钻孔表面的扫描电镜（SEM）显微图
图25不同电极材料去毛刺前后效果对比
图26不同脉冲电压下碳化硅颗粒增强铝基复合材料（SiCp/Al）的表面形貌
图27水射流激光复合加工（WJLM）原理示意图
图28水射流激光复合环形槽加工工艺
图29能实现更好综合性能的加工参数
陶瓷基复合材料（CMCs）展现出卓越的高温稳定性和摩擦学性能，使其成为航空航天、能源和汽车系统中的关键材料。本研究系统地探究了陶瓷基复合材料的材料去除机理、先进加工技术以及表面完整性优化策略，得出以下结论：
1.传统加工（CM）（如钻孔、铣削、磨削）操作简单，技术成熟。在加工正交各向异性脆性材料时，不同的材料去除机理会导致不同的断裂模式和脆-塑转变，显著影响表面完整性。
对于层间结合强度低的陶瓷基复合材料，会出现撕裂和毛刺等加工缺陷。此外，切削力若超过垂直于纤维层的层间结合强度，可能会引发分层现象。
2.与传统加工相比，单一特种加工技术（SSMT）具有优越的加工性能，如接触应力低、对材料的损伤小。能有效减少崩边、毛刺、裂纹、纤维拔出和断裂等缺陷。
与传统加工相比，磨料水射流（AWJ）使热影响区（HAZ）和加工力最小化，通过将锥角减小53%、提高加工效率13%，实现了优异的切口质量。
超声加工（UAM）技术相对成熟，主要应用于钻孔、磨削和铣削。与传统加工相比，钻孔力和扭矩分别降低38.11%和34.30%，磨削力降低50%，表面粗糙度降低30%，平均损伤率降低80.5%。
基体的激光软化降低了切削力和刀具磨损。与传统加工相比，刀具磨损降低76%，刀具寿命提高3.8倍，刀具成本降低32.3%。
3.多功能场复合加工技术（FMCMT）具有出色的加工效果，可以最大程度减少加工缺陷，并且在一定程度上能够满足单一特种加工技术和传统加工无法满足的需求。
磨料水射流（AWJ）与激光辅助加工（LAM）相结合的特点是可显著减少热影响区，并改善加工模式。当水射流速度达到20米/秒时，平均加工效果更好。当水射流速度从80米/秒增加到120米/秒时，最大热影响区宽度减小35.7%。
超声与电火花加工（EDM）相结合可实现最佳的去毛刺效果。与电火花加工相比，材料去除率提高近3倍，加工精度提高近20%。
激光-超声复合加工技术相对成熟，大多应用于制孔和切割。与传统加工相比，表面粗糙度降低约50%，刀具成本降低75%，具有更好的表面质量和孔精度。
传统的电解在线修整（ELID）磨削与超声相结合，可降低磨削力和表面粗糙度，获得更好的表面光洁度。与电解在线修整磨削相比，超声振动磨削的法向力和切向力降低约20%，表面粗糙度Ra和Rz分别降低46.5%和54.2%。
论文链接：
Zhang, C., Wang, X., Jiao, F. et al. Advances in the processing of ceramic matrix composites: a review. Int J Adv Manuf Technol (2025). https://doi.org/10.1007/s00170-025-15430-0
长三角G60激光联盟陈长军转载
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来源：江苏激光联盟
