功能梯度復合材料制動盤設計及制備成形工藝、組織與性能研究.pdf

1、顆粒增強金屬基復合材料具有優(yōu)良的性能，復合材料的制備技術和成形技術的研究已經(jīng)引起人們的廣泛關注，但是基于技術和成本方面考慮一直難以得到大范圍的應用。由于顆粒增強金屬基復合材料的性能受到具體的制備工藝技術、基體合金成分、增強顆粒的性質(zhì)以及基體合金與增強顆粒的界面結合狀況等諸多因素影響，現(xiàn)有的研究對這方面的認識還十分有限，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金屬基復合材料的推廣應用。本論文從顆粒增強鋁基復合材料新產(chǎn)品開發(fā)的需要出

2、發(fā)，基于材料組成對產(chǎn)品進行設計，深入研究了顆粒增強復合材料的制備技術和離心鑄造成形技術，對加工工藝方法對材料的組織、成分和性能特征影響進行了系統(tǒng)的研究，系統(tǒng)的闡述了復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：
　　運用MSC.Patran有限元分析軟件對不同材料的車輛用制動盤在同種工況條件下進行了熱應力分析，結果表明顆粒增強鋁復合材料顆粒體積分數(shù)沿徑向具有梯度變化的制動盤熱應力分布更為均勻，應力變化更為平

3、緩，而且該種材料構成的制動盤具有減重和提高使用壽命的優(yōu)點，實現(xiàn)了梯度功能復合材料制動盤材料構成的初步設計，提出了構建梯度復合材料制動盤的思想。
　　深入研究了重量達到32kg、體積分數(shù)為20％、平均粒徑為15.8μm的SiC顆粒增強Zl104合金的復合材料制備技術，對攪拌復合過程的工藝參數(shù)、增強顆粒的分散過程進行了探討。結合顆粒潤濕機制對顆粒分散的動力學過程進行了研究，結果表明增強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、分散期三個階段，加深了對復合鑄造法制備顆粒增強復合材料的工藝過程認識。
　　對金屬型鑄造成形的20%SiCp/Zl104復合材料試樣的微觀組織結構、界面結合狀況和機械性能進行了研究，表明復合材料界面結合良好，復合材料中增強顆粒聚集、孔隙率較高是造成材料力學性能較基體合金有所下降的主要原因。
　　對運用離心鑄造成形方法制備的顆粒增強復合材料筒狀件進行了系統(tǒng)的研究，結果表明，離心鑄造工藝不僅會引起復合材料漿料中的增強顆粒分布、復

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成復合材料的基體合金成分、微觀組織結構在離心力方向產(chǎn)生變化，在對離心鑄造成形過程中復合材料的凝固過程進行系統(tǒng)、深入探討的基礎上得出了離心鑄造過程溶質(zhì)傳輸、合金凝固過程的經(jīng)驗模型。
　　系統(tǒng)的研究了離心鑄造成形的筒狀件增強層和非增強層材料熱處理工藝，探討在熱處理過程中材料的組織結構和力學性能特征，結果表明增強顆粒的添加是造成增強層材料熱處理動力學加速的主要因素，非增強層的化學成分和

6、組織結構變化提高了元素的擴散速度，起到了加速時效動力學的作用。
　　對基體合金材料、離心鑄造成形的筒狀件復合材料熱處理前后的力學性能進行了深入探討，結果表明增強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顆粒引起的脆性斷裂和基體合金的韌性斷裂，復合材料整體表現(xiàn)為脆性斷裂，由于基體合金與增強顆粒的界面處的位錯密度較高、空位較多，在該處位錯容易堆積形成裂紋斷裂，鑄態(tài)試樣的力學性能不高，通過熱處理方式可以有效的改善基體合金中

7、的微觀組織結構、降低界面處的位錯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，極大的提高了復合材料的布氏硬度和抗拉強度。
　　對基體合金材料、離心鑄造成形的筒狀件增強層材料熱處理前后的磨損機制和耐磨損性能進行了深入研究，磨損試驗是塊體-GCr15軸承鋼環(huán)試驗機上無潤滑的條件下進行的。結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制，這幾種磨損機制經(jīng)常伴生出現(xiàn)。鑄態(tài) SiCp/Zl104復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 SiC增強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復合材料試樣耐磨損性能有極大的增加，而在進行了時效處理之后，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合材料盤狀零件的試制備，結果表明合理的調(diào)整鑄造工藝參數(shù)，調(diào)整復合材料的凝固時間和成形零件的凝固順序，可以制備出 SiC顆粒沿制動盤徑向具有