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碳化硅铝基复合板(SiCp/Al复合板)具有比强度高、比模量大、导热导电性好、热膨胀系数小等诸多优点,在航空航天、电子封装等领域具有良好的应用前景。由于SiCp/Al复合材料成性性能差,且应用部分多具有异形截面特征,目前大多采用搅拌铸造、喷射沉积、粉末冶金、挤压铸造等制备坯料,然后进行热轧、锻造等方式形成终态产品,其加工流程繁琐、单件成本较高。为缩短生产流程,解决二次成形困难问题,本文以6061铝合金为研究对象,在传统制备基础上,探索了机械搅拌法制备复合浆料及变截面铸轧复合制备工艺。本文主要研究内容如下: (1)在SiCp/Al复合浆料制备方面,本文通过碳化硅颗粒高温焙烧预处理、多批次添加工艺及分时调速搅拌方式,成功制备不同直径颗粒 SiCp复合铸件。金相及制备工艺研究表明,SiCp分布均匀度与颗粒直径、搅拌时间成比例关系,其中,颗粒直径越大,越易分散;颗粒直径越小,越易团聚,并且颗粒成圈状分布,在颗粒直径为80μm时分布最优。搅拌时间越长,颗粒均匀度越好。 (2)在现有铸轧平台基础上,搭建机械搅拌铸轧实验平台,成功制备不同含量(4wt%、8wt%、12wt%)、不同直径(23μm、80μm)的SiCp/Al复合板带。宏/微观分析表明,颗粒直径为80μm、含量为12%的复合板带表面质量最好、颗粒分布均匀,拉伸断裂为基体断裂伴随颗粒断裂形式,具有很好的力学性能和表面质量,满足初步设计要求。热处理工艺研究表明,水冷或者固溶处理+人工时效(T6)处理工艺会掩盖颗粒增强效应,应采用空冷处理工艺进行颗粒增强规律分析。 (3)在SiCp/Al复合板带的制备工艺的基础上,通过有限元模拟和实验开展了对称异形截面和非对称异形截面SiCp/Al复合型材的制备研究。 针对SiCp/Al对称异形截面复合板带,分别开展浇铸温度、凝固过程、铸轧速度等成形工艺的影响规律分析。分析结果表明,在浇铸温度为953K,铸轧速度为1.8m/min时固/液相区温度场在宽度方向分布不均,但截面宽度和厚度方向上不存在温度奇异点,具有较好的成形效果。在上述工艺的指导下,成功制备了微观组织、微观形貌均匀的对称异形截面板带,验证了有限元结果的正确性。 针对SiCp/Al非对称异形截面板带的制备工艺,本文采用实验探究—数值模拟机理分析—实验验证的方法进行了探索研究。首先,将对称异形截面铸轧制备工艺应用于非对称异形截面SiCp/Al的制备过程,发现不管是否有颗粒的存在,在孔型侧均有裂纹及未凝固组织存在,且裂纹等缺陷均集中在孔型区域。然后进行了缺陷产生机理的有限元分析,熔池的温度场结果表明:在板带宽度方向分布不均,温度变化在孔型区域与无孔区域之间存在奇异点,导致孔型区域边部与心部的在宽度方向的变形率不同,更易产生裂纹。熔池的流场分析表明:在孔型区域的液面波动比平辊侧严重,增加了裂纹在孔型域产生的可能。最后,为了解决板带在宽度与厚度方向温度场不均,本文提出一种涂覆工艺,通过改变接触换热系数改善了熔池温度场在宽度方向的温度不均现象。实验结果表明,采用涂覆工艺后,板带孔型区域缺陷明显改善,表面质量良好。