功能梯度復(fù)合材料制動(dòng)盤設(shè)計(jì)及制備成形工藝、組織與性能研究.pdf

1、顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料具有優(yōu)良的性能，復(fù)合材料的制備技術(shù)和成形技術(shù)的研究已經(jīng)引起人們的廣泛關(guān)注，但是基于技術(shù)和成本方面考慮一直難以得到大范圍的應(yīng)用。由于顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的性能受到具體的制備工藝技術(shù)、基體合金成分、增強(qiáng)顆粒的性質(zhì)以及基體合金與增強(qiáng)顆粒的界面結(jié)合狀況等諸多因素影響，現(xiàn)有的研究對這方面的認(rèn)識還十分有限，數(shù)據(jù)資料也十分缺乏，在一定程度上也影響了顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的推廣應(yīng)用。本論文從顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料新產(chǎn)品開發(fā)的需要出

2、發(fā)，基于材料組成對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)，深入研究了顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的制備技術(shù)和離心鑄造成形技術(shù)，對加工工藝方法對材料的組織、成分和性能特征影響進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，系統(tǒng)的闡述了復(fù)合材料制備和成形過程工藝-組織-性能特征。論文主要包括以下研究內(nèi)容：
　　運(yùn)用MSC.Patran有限元分析軟件對不同材料的車輛用制動(dòng)盤在同種工況條件下進(jìn)行了熱應(yīng)力分析，結(jié)果表明顆粒增強(qiáng)鋁復(fù)合材料顆粒體積分?jǐn)?shù)沿徑向具有梯度變化的制動(dòng)盤熱應(yīng)力分布更為均勻，應(yīng)力變化更為平

3、緩，而且該種材料構(gòu)成的制動(dòng)盤具有減重和提高使用壽命的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了梯度功能復(fù)合材料制動(dòng)盤材料構(gòu)成的初步設(shè)計(jì)，提出了構(gòu)建梯度復(fù)合材料制動(dòng)盤的思想。
　　深入研究了重量達(dá)到32kg、體積分?jǐn)?shù)為20％、平均粒徑為15.8μm的SiC顆粒增強(qiáng)Zl104合金的復(fù)合材料制備技術(shù)，對攪拌復(fù)合過程的工藝參數(shù)、增強(qiáng)顆粒的分散過程進(jìn)行了探討。結(jié)合顆粒潤濕機(jī)制對顆粒分散的動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行了研究，結(jié)果表明增強(qiáng)顆粒在熔體中的分散過程大致可以分為孕育期、聚集期和

4、分散期三個(gè)階段，加深了對復(fù)合鑄造法制備顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的工藝過程認(rèn)識。
　　對金屬型鑄造成形的20%SiCp/Zl104復(fù)合材料試樣的微觀組織結(jié)構(gòu)、界面結(jié)合狀況和機(jī)械性能進(jìn)行了研究，表明復(fù)合材料界面結(jié)合良好，復(fù)合材料中增強(qiáng)顆粒聚集、孔隙率較高是造成材料力學(xué)性能較基體合金有所下降的主要原因。
　　對運(yùn)用離心鑄造成形方法制備的顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料筒狀件進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，結(jié)果表明，離心鑄造工藝不僅會引起復(fù)合材料漿料中的增強(qiáng)顆粒分布、復(fù)

5、合材料性質(zhì)發(fā)生變化，而且由于凝固條件的變化也會使得構(gòu)成復(fù)合材料的基體合金成分、微觀組織結(jié)構(gòu)在離心力方向產(chǎn)生變化，在對離心鑄造成形過程中復(fù)合材料的凝固過程進(jìn)行系統(tǒng)、深入探討的基礎(chǔ)上得出了離心鑄造過程溶質(zhì)傳輸、合金凝固過程的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?br>　　系統(tǒng)的研究了離心鑄造成形的筒狀件增強(qiáng)層和非增強(qiáng)層材料熱處理工藝，探討在熱處理過程中材料的組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能特征，結(jié)果表明增強(qiáng)顆粒的添加是造成增強(qiáng)層材料熱處理動(dòng)力學(xué)加速的主要因素，非增強(qiáng)層的化學(xué)成分和

6、組織結(jié)構(gòu)變化提高了元素的擴(kuò)散速度，起到了加速時(shí)效動(dòng)力學(xué)的作用。
　　對基體合金材料、離心鑄造成形的筒狀件復(fù)合材料熱處理前后的力學(xué)性能進(jìn)行了深入探討，結(jié)果表明增強(qiáng)顆粒的添加改變了材料的斷裂模式，材料的斷裂特征主要為增強(qiáng)顆粒引起的脆性斷裂和基體合金的韌性斷裂，復(fù)合材料整體表現(xiàn)為脆性斷裂，由于基體合金與增強(qiáng)顆粒的界面處的位錯(cuò)密度較高、空位較多，在該處位錯(cuò)容易堆積形成裂紋斷裂，鑄態(tài)試樣的力學(xué)性能不高，通過熱處理方式可以有效的改善基體合金中

7、的微觀組織結(jié)構(gòu)、降低界面處的位錯(cuò)密度和減少空位缺陷，其斷裂主要表現(xiàn)為顆粒的脆性斷裂，極大的提高了復(fù)合材料的布氏硬度和抗拉強(qiáng)度。
　　對基體合金材料、離心鑄造成形的筒狀件增強(qiáng)層材料熱處理前后的磨損機(jī)制和耐磨損性能進(jìn)行了深入研究，磨損試驗(yàn)是塊體-GCr15軸承鋼環(huán)試驗(yàn)機(jī)上無潤滑的條件下進(jìn)行的。結(jié)果表明材料的磨損主要表現(xiàn)為磨粒磨損、黏著磨損和疲勞磨損三種機(jī)制，這幾種磨損機(jī)制經(jīng)常伴生出現(xiàn)。鑄態(tài) SiCp/Zl104復(fù)合材料試樣的磨損主要表

8、現(xiàn)為黏著磨損和疲勞磨損引起的塊體剝落，此時(shí) SiC增強(qiáng)顆粒不是主要的載荷承受體，通過固溶處理之后，作為傳遞載荷的基體合金的塑性改善，主要表現(xiàn)為磨粒磨損，SiCp/Zl104復(fù)合材料試樣耐磨損性能有極大的增加，而在進(jìn)行了時(shí)效處理之后，主要表現(xiàn)為疲勞磨損。
　　采用立式離心鑄造法完成了具有梯度變化復(fù)合材料盤狀零件的試制備，結(jié)果表明合理的調(diào)整鑄造工藝參數(shù)，調(diào)整復(fù)合材料的凝固時(shí)間和成形零件的凝固順序，可以制備出 SiC顆粒沿制動(dòng)盤徑向具有