功能梯度复合材料制动盘设计及制备成形工艺、组织与性能研究

论文摘要

颗粒增强金属基复合材料具有优良的性能,复合材料的制备技术和成形技术的研究已经引起人们的广泛关注,但是基于技术和成本方面考虑一直难以得到大范围的应用。由于颗粒增强金属基复合材料的性能受到具体的制备工艺技术、基体合金成分、增强颗粒的性质以及基体合金与增强颗粒的界面结合状况等诸多因素影响,现有的研究对这方面的认识还十分有限,数据资料也十分缺乏,在一定程度上也影响了颗粒增强金属基复合材料的推广应用。本论文从颗粒增强铝基复合材料新产品开发的需要出发,基于材料组成对产品进行设计,深入研究了颗粒增强复合材料的制备技术和离心铸造成形技术,对加工工艺方法对材料的组织、成分和性能特征影响进行了系统的研究,系统的阐述了复合材料制备和成形过程工艺-组织-性能特征。论文主要包括以下研究内容:运用MSC.Patran有限元分析软件对不同材料的车辆用制动盘在同种工况条件下进行了热应力分析,结果表明颗粒增强铝复合材料颗粒体积分数沿径向具有梯度变化的制动盘热应力分布更为均匀,应力变化更为平缓,而且该种材料构成的制动盘具有减重和提高使用寿命的优点,实现了梯度功能复合材料制动盘材料构成的初步设计,提出了构建梯度复合材料制动盘的思想。深入研究了重量达到32kg、体积分数为20%、平均粒径为15.8μm的SiC颗粒增强Zl104合金的复合材料制备技术,对搅拌复合过程的工艺参数、增强颗粒的分散过程进行了探讨。结合颗粒润湿机制对颗粒分散的动力学过程进行了研究,结果表明增强颗粒在熔体中的分散过程大致可以分为孕育期、聚集期和分散期三个阶段,加深了对复合铸造法制备颗粒增强复合材料的工艺过程认识。对金属型铸造成形的20%SiCp/Zl104复合材料试样的微观组织结构、界面结合状况和机械性能进行了研究,表明复合材料界面结合良好,复合材料中增强颗粒聚集、孔隙率较高是造成材料力学性能较基体合金有所下降的主要原因。对运用离心铸造成形方法制备的颗粒增强复合材料筒状件进行了系统的研究,结果表明,离心铸造工艺不仅会引起复合材料浆料中的增强颗粒分布、复合材料性质发生变化,而且由于凝固条件的变化也会使得构成复合材料的基体合金成分、微观组织结构在离心力方向产生变化,在对离心铸造成形过程中复合材料的凝固过程进行系统、深入探讨的基础上得出了离心铸造过程溶质传输、合金凝固过程的经验模型。系统的研究了离心铸造成形的筒状件增强层和非增强层材料热处理工艺,探讨在热处理过程中材料的组织结构和力学性能特征,结果表明增强颗粒的添加是造成增强层材料热处理动力学加速的主要因素,非增强层的化学成分和组织结构变化提高了元素的扩散速度,起到了加速时效动力学的作用。对基体合金材料、离心铸造成形的筒状件复合材料热处理前后的力学性能进行了深入探讨,结果表明增强颗粒的添加改变了材料的断裂模式,材料的断裂特征主要为增强颗粒引起的脆性断裂和基体合金的韧性断裂,复合材料整体表现为脆性断裂,由于基体合金与增强颗粒的界面处的位错密度较高、空位较多,在该处位错容易堆积形成裂纹断裂,铸态试样的力学性能不高,通过热处理方式可以有效的改善基体合金中的微观组织结构、降低界面处的位错密度和减少空位缺陷,其断裂主要表现为颗粒的脆性断裂,极大的提高了复合材料的布氏硬度和抗拉强度。对基体合金材料、离心铸造成形的筒状件增强层材料热处理前后的磨损机制和耐磨损性能进行了深入研究,磨损试验是块体-GCr15轴承钢环试验机上无润滑的条件下进行的。结果表明材料的磨损主要表现为磨粒磨损、黏着磨损和疲劳磨损三种机制,这几种磨损机制经常伴生出现。铸态SiCp/Zl104复合材料试样的磨损主要表现为黏着磨损和疲劳磨损引起的块体剥落,此时SiC增强颗粒不是主要的载荷承受体,通过固溶处理之后,作为传递载荷的基体合金的塑性改善,主要表现为磨粒磨损,SiCp/Zl104复合材料试样耐磨损性能有极大的增加,而在进行了时效处理之后,主要表现为疲劳磨损。采用立式离心铸造法完成了具有梯度变化复合材料盘状零件的试制备,结果表明合理的调整铸造工艺参数,调整复合材料的凝固时间和成形零件的凝固顺序,可以制备出SiC颗粒沿制动盘径向具有梯度分布的盘状零件,其硬度在径向方向也呈现梯度分布。通过对复合材料设计、材料制备与成形的基础研究研究表明,实现梯度复合材料制动盘制备是可行的。通过该研究表明掌握材料制备与成形过程的规律,深入探讨材料制备与成形过程材料的组织-性能关系,将可有效的指导实际产品的开发。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 导论
• 1.1 复合材料
• 1.2 金属基复合材料
• 1.2.1 非连续增强金属基复合材料
• 1.2.2 颗粒增强铝基复合材料制备技术研究现状
• 1.2.3 机械搅拌法制备颗粒增强铝基复合材料关键技术
• 1.3 梯度功能复合材料
• 1.3.1 梯度功能材料的概念与分类
• 1.3.2 梯度功能材料的设计研究
• 1.3.3 梯度功能材料制备工艺研究
• 1.4 颗粒增强复合材料的物理机械性能
• 1.5 复合材料热处理研究
• 1.6 金属基复合材料的应用现状
• 1.7 研究背景和研究内容
• 1.7.1 研究背景
• 1.7.2 课题学术和实用意义
• 1.7.3 研究内容
• 2 研究内容与方法
• 2.1 研究目标
• 2.2 材料的确定
• 2.2.1 合金材料的选定
• 2.2.2 增强材料的选定
• 2.3 复合材料零件成分组成的优化设计
• 2.4 复合材料制备工艺研究
• 2.4.1 增强颗粒预处理研究
• 2.4.2 复合材料浆料制备工艺研究
• 2.4.3 复合材料铸造成形技术研究
• 2.5 复合材料热处理工艺研究
• 2.6 复合材料的微观组织结构研究
• 2.6.1 实验分析试样制备
• 2.6.2 透射电镜试样分析
• 2.6.3 X-射线衍射分析
• 2.7 复合材料性能指标分析
• 2.7.1 SiC 颗粒体积分数定量测量
• 2.7.2 复合材料密度测量
• 2.7.3 复合材料表观孔隙率的测量
• 2.7.4 热分析实验
• 2.7.5 复合材料试样硬度的测量
• 2.7.6 复合材料抗拉强度的测量
• 2.7.7 复合材料耐磨性能测量
• 2.8 技术路线
• 3 梯度复合材料制动盘热应力分析
• 3.1 车用制动盘模型的建立
• 3.1.1 车用制动盘几何模型的建立
• 3.1.2 车用制动盘有限元网格模型的建立
• 3.1.3 ZL104 与SiC 梯度层复合材料性能的确定
• 3.2 车用制动盘边界条件的确定
• 3.2.1 车用制动盘机械边界条件的确定
• 3.2.2 车用制动盘非线性热边界条件的确定
• 3.2.3 轿车制动器制动时工况的确定
• 3.2.4 车用制动盘约束边界条件的确定
• 3.3 车用制动盘结构分析
• 3.3.1 蠕墨铸铁材料车用制动盘结构分析
• 3.3.2 三种材料制动盘温度场分析
• 3.3.3 不同材料制备的制动盘热应力分析
• 3.4 结论
• 4 复合材料制备工艺
• 4.1 工艺方法
• 4.1.1 实验装置
• 4.1.2 搅拌复合过程工艺参数的确定
• 4.1.3 复合材料的制备工艺
• 4.2 实验结果与讨论
• 4.2.1 SiC 粉末预处理对颗粒成分的影响
• 4.2.2 半固态复合搅拌浆料的流变特征
• 4.2.3 搅拌复合过程中SiC 颗粒分散情况研究
• 4.2.4 复合材料搅拌复合过程颗粒分散模型
• 4.2.5 复合材料制备过程孔洞的形成
• 4.3 本章小结
• 5 重力铸造颗粒增强铝基复合材料组织性能研究
• 5.1 复合材料试样成形工艺
• 5.2 复合材料制备试样的微观组织结构
• 5.3 复合材料界面结构特征的研究
• 5.3.1 复合材料的界面结合特征
• 5.3.2 界面的微观组织结构
• 5.4 复合材料界面化学反应控制与颗粒润湿机理
• 5.5 SiC 颗粒增强复合材料热力学特征
• 5.6 重力铸造复合材料力学性能分析
• 5.7 小结
• 6 复合材料离心铸造及热处理工艺研究
• 6.1 离心铸造成形技术
• 6.1.1 离心铸造成形SiC 增强颗粒受力分析
• 6.1.2 增强颗粒分布规律分析
• 6.1.3 离心铸造成形设备
• 6.1.4 离心铸造工艺参数的确定
• 6.2 离心铸造成形筒状件微观组织结构和性能特征
• 6.2.1 离心铸造成形件截取试样的宏观照片
• 6.2.2 离心铸造成形筒状件的微观组织结构
• 6.2.3 离心铸造成形筒状件的组织性能变化特征
• 6.2.4 离心铸造筒状件热力学特征分析
• 6.2.5 离心力作用下复合材料组成分离模型
• 6.3 复合材料热处理
• 6.3.1 热处理工艺方案的确定
• 6.3.2 热处理峰值时效时间确定
• 6.4 复合材料时效处理的理论分析
• 6.4.1 界面面积和颗粒间空间尺寸的理论分析
• 6.4.2 材料时效硬化能力分析
• 6.5 本章小结
• 7 铸态、热处理态复合材料组织性能研究
• 7.1 组织结构及X 射线衍射分析
• 7.1.1 基体合金微观组织结构
• 7.1.2 筒状件SiC 颗粒增强层微观组织结构
• 7.2 材料力学性能测试与分析
• 7.2.1 增强层试样截取方法
• 7.2.2 硬度测量结果与讨论
• 7.2.3 抗拉强度实验结果与讨论
• 7.2.4 拉伸断口微观组织结构
• 7.2.5 复合材料拉伸变形机制分析
• 7.3 材料的耐磨性能以及磨损面形貌分析
• 7.3.1 耐磨实验性能指标
• 7.3.2 耐磨试样磨面微观组织结构
• 7.3.3 材料摩擦系数变化
• 7.3.4 材料磨损机制研究
• 7.4 小结
• 8 梯度复合材料盘状零件试制
• 8.1 实验方法
• 8.1.1 盘状零件成形模具
• 8.1.2 盘状件成形工艺方法
• 8.1.3 试样测定方法
• 8.2 试验结果
• 8.2.1 SiC 颗粒增强铝基复合材料微观组织结构
• 8.2.2 离心铸造盘状件不同部位的颗粒分布
• 8.2.3 气孔率和密度测定结果
• 8.2.4 试样硬度和颗粒体积百分数测定结果
• 8.3 结论
• 9 结论与创新点
• 9.1 结论
• 9.2 进一步的研究工作
• 9.3 创新点摘要
• 致谢
• 参考文献
• 附录