SiC3D/Al复合材料的制备及工艺过程数值模拟

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三维碳化硅陶瓷骨架增强铝合金复合材料(SiC3D/Al)具备高耐磨擦性、低热膨胀系数、低密度等优点,可降低列车制动盘的质量,从而降低列车的能耗。由于三维骨架SiC3D的孔隙不规则,导致SiC3D/Al合金复合材料出现开裂、孔隙等各种缺陷。本文利用Soildworks建立SiC3D/Al微观结构模型,利用ProCAST软件分析真空吸铸浸渗工艺制备SiC3D/Al的过程。为制备低缺陷SiC3D/Al并尽可能降低SiC3D与Al物相间的界面反应,将SiC3D预制体温度、浸渗温度和浸渗压力工艺参数进行正交试验,研究SiC3D/Al制备过程中产生缺陷的机制,优化真空吸铸浸渗工艺。以下是主要研究成果。  (1)建立SiC3D/Al微观结构模型,解决了从Soildworks软件建立的铸件几何模型导入ProCAST软件的数据传送问题。  (2)利用ProCAST软件的Inverse反算模块,优化了模型中三种材料(石墨管、ZL111铝合金、预制体)间的界面换热系数。优化获得数据是:C-SiC界面换热系数为650W/m2·K、C-ZL111界面换热系数为1416W/m2·K、ZL111-SiC界面换热系数为480W/m2·K;当最大时间步长(DTMAX)值为5时,可高精度模拟Al液面平稳充型行为,获得制备SiC3D/Al的真空吸铸浸渗工艺准确参数。  (3)利用极差值法对造成最大残余应力值的因素进行分析,得出影响最大残余应力的最主要因素。根据SiC3D预制体的温度梯度与时间的变化规律可知,复合材料的中心位置是最后凝固位置,在该位置产生残余应力,形成气孔、缩松等缺陷;  (4)正交模拟试验方法的数据表明影响复合材料的缩松体积的最主要因素是SiC3D预制体温度,缩松体积随着SiC3D预制体温度的降低而减小,缩松体积在SiC3D预制体温度低于ZL111合金液的固相线温度时达到最小。浸渗压力是影响SiC3D/Al经浸渗而复合时间(即浸渗时间)及残余应力的主要因素,浸渗时间随浸渗压力增大而逐渐减少,而残余应力随浸渗压力和浸渗温度降低先增大后逐渐减小。  (5)最佳真空吸铸浸渗工艺参数组合是浸渗压力为负压0.6MPa、SiC3D预制体温度540℃、浸渗温度750℃。最终成功制备出致密SiC3D/Al复合材料,其孔隙率仅为3.0%。
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