SiCp-Al復(fù)合板鑄軋近終成形工藝模擬與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、SiCp/Al復(fù)合板具有輕質(zhì)高強(qiáng)、熱膨脹系數(shù)小以及導(dǎo)熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，且性能可通過(guò)改變SiC顆粒尺寸和體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行定制，在電子封裝、光學(xué)結(jié)構(gòu)件等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。由于SiCp/Al復(fù)合材料可成形性較差，目前廣泛采用先通過(guò)攪拌鑄造、噴射沉積等方法制備坯料，再進(jìn)行鍛造或熱軋的方法，以制備特定形狀的終態(tài)產(chǎn)品。為縮短生產(chǎn)流程，本文探索了通過(guò)機(jī)械攪拌法制備復(fù)合漿料，并使用雙輥鑄軋工藝直接成形SiCp/Al復(fù)合板的工藝流程。
　　在SiC

2、p/Al復(fù)合漿料攪拌制備方面，本文依據(jù)攪拌裝置的實(shí)際尺寸，建立了包含氣液兩相的多相流模型，并對(duì)槳葉所在區(qū)域進(jìn)行分割，使用多參考系模型賦予了各區(qū)域相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。研究了攪拌過(guò)程中，槳葉與水平方向夾角、槳葉位置及攪拌速度對(duì)流場(chǎng)的影響規(guī)律。通過(guò)攪拌實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步確定了合適的攪拌工藝參數(shù)，成功制備了SiC顆粒分布較為均勻的復(fù)合漿料。
　　在鑄軋過(guò)程中復(fù)合板內(nèi)部微觀(guān)變形規(guī)律研究方面，本文建立了表征顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料微觀(guān)結(jié)構(gòu)的VPRM（Vor

3、onoi Particle Reinforced Model，簡(jiǎn)稱(chēng)VPRM）幾何模型。詳細(xì)論述了該模型的建模流程、結(jié)構(gòu)特征及控制參數(shù)，并提出了通過(guò)ANSYS自動(dòng)化建模實(shí)現(xiàn)VPRM模型實(shí)體化的方法。成功構(gòu)造了包含不同總體尺寸、不同顆粒尺寸、不同顆粒體積分?jǐn)?shù)、變化的顆粒間隙等特征的VPRM幾何模型。
　　使用VPRM模型進(jìn)行單軸壓縮模擬，得到了顆粒尺寸為80μm、體積分?jǐn)?shù)為20％的SiCp/Al復(fù)合材料的綜合熱力學(xué)性能參數(shù)。將VPRM

4、模型嵌入整體板坯模型中進(jìn)行鑄軋固相區(qū)軋制形變多尺度模擬，分析了鑄軋過(guò)程中，相鄰顆粒間距、顆粒間隙形狀等對(duì)基體變形的影響規(guī)律。模擬結(jié)果表明，當(dāng)相鄰顆粒間距離為10μm時(shí)，顆粒間隙中的基體材料難以變形，隨著顆粒間隙的增大，這種阻礙作用減弱；當(dāng)顆粒間隙呈一定角度的楔形時(shí)，隨著楔形角度增大，間隙中的基體材料塑性變形加劇。
　　基于傳統(tǒng)二輥實(shí)驗(yàn)鑄軋機(jī)和SiCp/Al復(fù)合漿料制備技術(shù)，探究了SiCp/Al復(fù)合板鑄軋成形工藝可行性，并成功制備了

5、顆粒尺寸為80μm、體積分?jǐn)?shù)為4%~12%、厚度為1~3mm、寬度為50mm的SiCp/Al復(fù)合板。通過(guò)軋卡試驗(yàn)，截取了鑄軋區(qū)完整試樣，使用金相顯微鏡分析了不同區(qū)域內(nèi)的顆粒分布情況。結(jié)果表明：在液相區(qū)內(nèi)，鑄態(tài)微觀(guān)形貌特征顯著，顆粒呈現(xiàn)近球狀團(tuán)聚；進(jìn)入固相區(qū)后，在鑄軋變形作用下，基體內(nèi)部孔洞缺陷減少，材料致密度明顯提高，顆粒團(tuán)聚區(qū)域由近球形逐漸變?yōu)闂l形。通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)及斷口分析，發(fā)現(xiàn)在顆粒團(tuán)聚區(qū)域基體滲透不完全導(dǎo)致顆粒與基體間結(jié)合強(qiáng)度低，同

6、時(shí)SiC顆粒周?chē)鷧^(qū)域易產(chǎn)生應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致復(fù)合材料的拉伸性能明顯降低。通過(guò)提高復(fù)合漿料的均勻性，制備了顆粒分布較均勻的復(fù)合板材。通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了不同顆粒體積分?jǐn)?shù)復(fù)合板材的力學(xué)性能。結(jié)果表明，在鋁基體中加入顆粒尺寸80μm的SiC增強(qiáng)相，復(fù)合板材的剛度有所提高，但隨著顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加，板材的延伸率明顯下降，其規(guī)律與已有研究結(jié)論一致。
　　此外，通過(guò)在鑄軋輥表面加工孔槽，初步探索和展望了SiCp/Al異形斷面復(fù)合型材的近終成形