（材料学专业论文）压力浸渗制备al2o3pzl104复合材料及有限元模拟.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 捅要 本文通过“非均匀增强”的方式，探讨了用压力浸渗法制备颗粒增强金 属基复合材料的途径，对减小临界浸渗压力及降低预制体变形程度的效果， 以及在一定程度上改善复合材料塑性和韧性的可能性。 从流体热力学和动力学方面对制备颗粒增强金属基复合材料的压力浸渗 过程进行了理论分析，研究了浸渗时液态金属在“均匀增强”预制体与“非 均匀增强”预制体中的流动行为，并采用有限元法对压力浸渗过程中的液态 金属的渗流过程进行数值模拟。通过干摩擦磨损试验，测试“均匀增强”型 与“非均匀增强”型颗粒增强铝基复合材料的磨损性能并进行对比，分析了 磨损机理。研究结果表明： 1 经理论分析得出，“均匀增强”方式的浸渗过程具有“平推式”特 征；而。非均匀增强”方式的浸渗过程则分为两个阶段，即液态金属以较小 的临界压力优先流经各“小团”之间的大孔道，贯穿整个预制体，然后再填 充。小团”内颗粒间的小孔道。因此，“非均匀增强”方式可使临界压力降 低，预制体的整体压缩变形变小。 2 “非均匀增强”复合材料硬度分布不均匀，颗粒团聚部位硬度值偏 高，而颗粒团问的部位硬度值偏低，但较多地保留了基体的韧性。总体表现 为，“非均匀增强”复合材料的屈服位移大于“均匀增强”复合材料的。 3 在较低载荷下，“非均匀增强”复合材料的耐磨性显著高于“均匀 增强”复合材料的耐磨性；在较高载荷下，“非均匀增强”复合材料磨损量 曲线斜率呈现下降的趋势，出现“越磨越耐磨”现象。 4 用有限元法求解得到可视化的瞬态温度场分布，模拟结果分析表 明，颗粒半径、浸渗压力、液态金属粘度系数和颗粒的体积分数等参数决定 了液态金属的浸渗速度及浸渗过程。 关键词：复合材料；非均匀增强；压力浸渗；韧性；耐磨性；有限元分析 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea r t i c l ed i s c u s s e dt h ee f f e c to fp r e p a r i n gp a r t i c l er e i n f o r c e dm e t a lm a t r i x c o m p o s i t e sb yt h ep a t ho fp r e s s u r ei n f i l t r a t i o na n dt h ew a yo f “n o n u n i f o r m r e i n f o r c e d t or e d u c et h ec r i t i c a lo s m o t i cp r e s s u r ea n dd e f o r m a t i o nd e g r e eo f p r e f a b r i c a t e db o d y ；a n dt h ep o s s i b i l i t yo fi m p r o v ep l a s t i c i t ya n dt o u g h n e s so f c o m p l e xm a t e r i a lt oc e r t a i nd e g r e ew a sa l s od i s c u s s e d p r e s s u r ei n f i l t r a t i o np r o c e s so fp a r t i c l er e i n f o r c e dm e t a lm a t r i xc o m p o s i t e s w e r oa n a l y z e df r o mt h ea s p e c to ft h e r m o d t m a m i ca n dh y d r o d y n a m 崦a n dt h ef l o w b e h a v i o ro ff i q u i dm e t a li n p r e f a b r i c a t e db o d yo f “u n i f o r mr e i n f o r c e d a n d “n o n u n i f o r mr e i n f o r c e d w a sa l s oa n a l y z e d t h es e e p a g eb e h a v i o ro fm e t a ll i q u i d i np r e s s u r ei n f i l t r a t i o np r o c e s si sn u m e r i c a ls i m u l a t e db yf e m t h ew e m a b i l i t yo f “u n i f o r mr e i n f o r c e d a n d “n o n u n i f o r mr e i n f o r c e d a l u m i n u mm a t r i xc o m p o s i t e s w e r et e s t e da n dc o n t r a s t e db yt h ed r yf r i c t i o na n dw e a l t e s t , a n dt h ew e a l m e c h a n i s mw a s a n a l y z e d t h er e s u l t ss h o w e d ： 1 a f t e rt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h ei n f d t r a t i o np r o c e s so f “u n i f o r m i t yr e i n f o r c e d ”， h a dt h ef e a t u r eo f “f l a tp u s h , w h i l et h ei n f i l t r a t i o n p r o c e s so f “n o n u n i f o r m r e i n f o r c e d w a sd i v i d e di n t ot w os t a g e s ，f i r s tt h el i q u i dm e t a lf l o wt h r o u g hl a r g e r d r i l lw a yb e t w e e n “f i n ec l u s t e r s ”p r e f e r e n t i a l l yw i t ht h es m a l l e rc r i t i c a lp r e s s u r e , a n dt h e nf i l l e di nt h es m a l ld r i l lw a yb e t w e e ng r a i n so f “f i n ec l u s t e r s ”t h e r e f o r e , t h ew a yo f “n o n u n i f o r mr e i n f o r c e d c o u l dr e d u c ec r i t i c a lo s m o t i cp r e s s u r e , a n d c o m p r e s s i o nd e f o r m a t i o no fp r e f a b r i c a t e db o d y w a sd i m i n i s h e d 2 t h eh a r d n e s so ft h e “u n i f o r m i t yr e i n f o r c e d ”c o m p o s i t e sw e r ed i s t r i b u t e d a s y m m e t r i c a l l y t h eh a r d n e s sv a l u ei sh i g h e ri nt h ep a r to fp a r t i c l e sc o n g i o b a t i o n a n dl o w e ri nt h ep a r tb e t w e e nd u s t e r so fg r a i n s ，b u tm o r et o u g h n e s so fm a t r i xw a s k e e p e d , i ts h o w e db e n d i n gd i s p l a c e m e n to f “n o n u n i f o r mr e i n f o r c e d c o m p o s i t e s w a sb i g g e rt h a nt h a to f “u n i f o r m i t yr e i n f o r c e d 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 i nt h es i t u a t i o no fl o w e rl o a d , t h ew e a r - r e s i s t i n gp r o p e r t yo f “n o n u n i f o r m r e i n f o r c e d c o m p o s i t e sw a s b e t t e rt h a nt h a to f “u n i f o r m i t yr e i n f o r c e d c o m p o s i t e s ； i nt h es i t u a t i o no fh i g h e rl o a d , t h es l o p ec o e f f i c i e n to fw e a re x t e n tc l l r v eo f “n o n u n i f o r mr e i n f o r c e d c o m p o s i t e sd i s p l a y e dt h et r e n do fd e s c e n d i n g , a p p e a r i n g t h ep h e n o m e n o no f ”t h em o r ei ti sw e a r e d , t h eb e t t e rt h ea b r a d a b i i t yi s ” 4 v i s u a lt r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o nw a so b t a i n e d b yf e m a n a s y s i s a n a l o gr e s u l ti n d i c a t e dt h ep a r a m e t e r so fp a r t i c l er a d i u s ，i n f i l t r a t i o n p r e a s u r e , v i s c o s i t yc o e f f i c i e n to fl i q u i dm e t a la n dt h ev o l u m ef r a c t i o no fp a r t i c l e s a n ds oo nd e c i d e dt h ei n f d t r a t i u nv e l o c i t ya n di n f i l t r a t i o np r o c e s s 。 k e y w o r d s ：c o m p o s i t e s ；n o n u n i f o r mr e i n f o r c e d ；p r e s s u r ei n f i l t r a t i o n ；t o u g h n e s s ； w e a r - r e s i s t i n gp r o p e r t y ；f e ma n a l y s i s 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指 导下由作者本人独立完成的。有关观点、方法j 数据和 l 文献的引用己在文中指出，并与参考文献相对应。除文 中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：鳢缮 日期：w 彤年j z 月 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 金属基复合材料的发展与应用 1 1 1 金属基复合材料的发展趋势及最新进展 金属基复合材料( m e t a lm a t r i xc o m p o s i t e s 简称m m c s ) 是以金属及合 金为基体的复合材料，其性能取决于所选用金属或合金基体和增强物的特 性、含量、分布等。金属基复合材料通过优化组合可以获得既具有金属特 性，又具有高比强度、高比模量、耐高温、耐磨损、高的热稳定性、良好的 疲劳性能、断裂韧性及尺寸稳定性等优异的综合性能，在航天、航空、电 子、汽车、先进武器系统中均有广泛的应用前景i q ，金属基复合材料的发展 是材料领域在过去三十年的重要成果之一嘲。 。 金属基复合材料一直处于快速发展之中，老品种的工艺不断改进，价格 不断降低，新品种与新技术不断涌现，应用范围不断拓展。其发展趋势及最 新进展主要表现在如在几个方面： 1 微结构的优化 可设计性好或者说是设计自由度大，是复合材料最大的特点也是最大的 优势所在，金属基复合材料自然也不例外。因此，通过微结构的优化设计从 而进一步发掘金属基复合材料的性能潜力、或根据特定应用背景实现其性能 指标的最优化配置，是金属基复合材料的研究发展的重要方向，这方面的实 例主要包括： ( 1 ) 金属基梯度复合材料。将梯度功能材料的设计思想引入到金属基复 合材料中，就产生了金属基梯度复合材料。最为常见的是陶瓷颗粒增强体含 量呈梯度分布的颗粒增强金属基复合材料。 ( 2 ) 微结构韧化金属基复合材科。在非连续增强金属基复合材料中出现 一定数量、一定尺寸的均匀分布的未被增强基体合金区域。这些小区域作为 韧化相将会具有阻止裂纹扩展、吸收能量的作用，从而使复合材料的损伤容 哈尔滨工程大学硕士学位论文 限得到提高。 ( 3 ) 双连续金属基复合材料。为了更有效地发挥陶瓷增强体的高刚度、 低膨胀等的特性，除了提高金属基复合材料中的陶瓷增强体含量外，另种 有效的作法是使陶瓷增强体在基体合金中成为连续的三维骨架结构，从而以 双连续的微结构设计来达到这一目的。 ( 4 ) 超细颗粒增强金属基复合材料。在高质量制备工艺的前提下，随着 颗粒尺寸的减小，金属基复合材料往往可以呈现出更为理想的力学及加工性 能。 z 结构功能一体化 在金属基复合材料研究开发的初期，增强是复合的主要目的，甚至常常 是唯一目的。所以人们将基体合金中的添加相统称为“增强体”，这一术语 延用至今。后来特别是近几年来，人们认识到：增强并不总是唯一目的，有 时甚至根本不是主要目的。增强体的加入还将带来对复合材料热膨胀系数、 导热及导电等物理性能的影响，从而赋予基体合金以特定的功能特性，使传 统的金属结构材料功能化或实现其结构功能一体化。 3 制备与成型加工一体化 成型和加工技术难度大、成本高始终是困扰金属基复合材料工程应用的 最大障碍之一。特别是当陶瓷颗粒增强体含量高到一定程度时( 如体分超过 5 0 ) ，传统的铸造及塑性加工成形几乎是不可能的，机械加工也十分困 难。因此，开发制备与成型加工一体化工艺是具有重大工程意义的。基于熔 体无压浸渗的制各工艺，是实现高陶瓷含量金属基复合材料制备与成型加工 一体化的最有效技术途径。 4 i 艺技术的低成本化 低成本化是2 l 世纪初金属基复合材料的最重要的发展趋势之一。在金 属基复合材料的成本构成中，工艺成本往往比原材料本身的成本高得多。所 以，研究开发低成本的制备工艺、热加工工艺及冷加工艺势在必行。 5 生产的规模化与应用的扩大化 哈尔滨工程大学硕士学位论文 随着技术的成熟与进步，金属基复合材料的生产已日渐呈现出规模化趋 势，应用则呈现扩大化趋势。除早在2 0 世纪年末就十分著名的a l c a n 、 d w a 、a c m c 等金属基复合材料专业公司外，近五年来又迅速兴起了一批 以高新技术为依托的l a n x i d e 、l e c 等金属基复合材料专业公司，而且很快 就打开了市场局面。此外，2 0 世纪9 0 年末，美国还专门成立了由2 0 家制 造商组成的铝基复合材料联合体( a i m m c ) ，该联合体发挥集体优势、共建 应用技术平台，进一步促进颗粒增强铝基复合材料的应用州。 1 1 2 金属基复合材料的应用 金属基复合材料的应用目前主要表现在以下几个方面： 1 地面运输 汽车行业中的主要应用包括局部增强的柴油机活塞，局部增强的砧发 动机组的缸体，进气阀和排气阀，驱动轴和连杆，制动组件( 刹车盘、转子和 卡钳1 ，混合式车或电车的电源模块研。复合材料的e p 值很高，可以提高驱 动轴的临界转速，从而提高系统性能阿。d r a 驱动轴已应用于c h e v r o l e ts - 1 0 和g m cs o n o m a 轻型货车，1 9 9 7 年被c h e v r o l e tc o r v e t t e 定为标准配件，已 应用于f o r d r o w nv i c t o r i a 的p l i c ci n t e r c e p t o d r a 制动件n 包括刹车盘、转子 和卡钳1 具有很多优点：导热系数高，耐磨性好，制动噪音小，节约燃料，加 速性能好，制动距离短；缺点是成本高且热负荷较大。汽车轮胎防滑钉在北 欧也形成了一个重要的铸造和锻造d r a 市场。d r a 也用于混合式车或电车 中的热管理器件。 2 热学管理 热管理零件具有很高的附加值，通常是每平方英寸几美元。这方面应用 最多的是c u m o 和c u w 。以前多采用液态金属浸渗来制造，现在用p m 法。可以实现近净成形工艺i q ，用搅拌铸造、液态浸渗、p m 的方法制造的 a i s i c 正被越来越广泛地应用。用p m 法制得的b e b e o 用于高性能的场 合。a 1 b e m e t 是金属金属复合材料，通常用p m 或铸造方法制造，应用于 哈尔滨工程大学硕士学位论文 需要良好结构性能的热管理零件。 3 航空航天 航空学的m m c s 应用已经建立起了飞机结构学、飞机推进学和辅助系统 三类【引。飞机结构组件包括f 1 6 飞机的机腹尾翼、燃料通道门盖板欧洲直 升机e c l 2 0 和n 4 直升机的转子叶片。飞机推进组件包括b o e i n 9 7 7 7 使用的 p r a t t 和w h i t n e y4 0 8 4 、4 0 9 0 、4 0 9 8 引擎中的p md r a 风扇出口导叶， g e n e r a le l e c t r i cf 1 1 0 引擎中使用的连续增强t i ，s i c 喷嘴传动连杆。辅助系统 组件包括：l o c k h e e d m a r t i nu 2 飞机上的电子设备架嘲，i _ o c k h e e d - m a r t i na d 1 3 0 武装直升机上的弹药架b o e i n g b e l l 直升机o s p r e yv - 2 2 t f l t r o t o r 和 m c d o n n e l ld o u g l a sf a - 18e fs u p e rh o r n e t 中的液压系统分路阀箱。m m c s 在航天系统中的应用相对少些。5 0 的b 单纤维增强的6 0 6 1 a 1 制成2 4 3 m m q 管材用于空间往返轨道飞船的中间机身主框架、翼肋桁架杆件、框架 稳定支柱、前起落架和制动拉杆支柱。这些组件比原来的a l 管材减轻了1 4 5 l ( g 的重量。制造困难和高成本限制了这方面的推广应用。4 0 的e - 1 0 0 石墨 纤维束连续增强的6 0 6 1 a i 合金用于h u b b l e 空间望远镜的导波天线杆。这是 一个多功能的应用需要出色的抗热负荷和机械负荷的性能，并对天线接收 和发出的信号的传导性能好。 4 工业、娱乐业和基础设施工业 工业应用包括硬质合金、金属陶瓷、电镀和浸渍金刚石刀具，铜和银 m m c s 电触点。石化行业的抗腐蚀涂层。砸c 增强的铁和镍合金具有出色的 硬度和良好的耐磨性能，在工业中应用广泛：切削、轧制、制粒、冲压、冲 孔、金属热加工、拉拔、模锻、钻孔等；制作的零件包括：锻锤、冲压模、 罐装工具、压纹辊、止回阀、挤压机喷嘴、弯曲模、挤压模、热锻模模衬 等。 m m c s 在娱乐市场的应用包括比赛用自行车管材、线路道钉、长曲棍球 球杆。自行车轮缘的制动表面上涂上层m m c s 材料有利于改进耐磨性能， 减小制动距离。基础设施应用包括盛装核废料的a 1 , b 4 c 和高架电缆用的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a 姻a f t ! 。m m c s 产品能把电力运送量提高2 0 0 3 0 0 若能广泛应用于 基础电网，能带来巨大的经济效益。 1 2 金属基复合材料的制备方法 m m c s 通常按增强体的形式分类，如连续纤维增强、短纤维或晶须增 强、颗粒增强以及片层叠合等。由于连续纤维增强的m m q 必须先制成复合 丝或复合片等先驱体，工艺复杂面成本高，因此除了极少量有特殊要求的零 件( 如航天飞机的结构梁) 采用外，目前尚看不到有扩大应用的可能性。本文 着重叙述的是颗粒、短纤维或晶须等非连续增强体的m m c s ，其中，颗粒增 强的m m c s 已具备批量生产条件，有良好的发展前景。迄今，已开发出不少 非连续增强体m m c s 的制备方法，见表1 1 。 表1 1 非连续增强体m m c s 的制备方法 方法优点 缺点 基本上不存在界面反应，质量稳工艺程序多，制备周期长，成本高， 定，增强体体积分数v f 可较降低成本的可能性小 粉末冶金法高，可选用细小颗粒增强体，增 强体分布均匀，可实现近似无余 量成 工艺简单，设备投资少，生产成v f 有限( 一般不超过2 0 ) 。颗粒一 本低，可大规模生产般不可能小于l o u m , 有界面反应的可 搅拌混合法能性，增强体分布难达到均匀化，有 气孔，只能制成铸锭，因此需= 次加 工 工艺较简单，生产周期短，设别需先制成预成型体，预成型体对产品 挤压铸造法投资较少，有降低成本的可能质量影响很大，模具造价较高 性。能实现近似无余量成型，v 可较高，界面反映不严重 哈尔滨工程大学硕士学位论文 续表1 1 非连续增强体m m c s 的制备方法 真空压力 v f 可调范围大，分布均匀，制品工艺设备昂贵，制造大型零部件由困 浸溃法质量好难，如冷却工序安排不妥善。可产生 明显的界面反应。制各周期较长 成型速度快，工艺周期短设备昂贵，由于孔隙率高而质量较 共喷射法差，仅能制成铸锭和平板，原材料损 失大 机械合金化增强体分布均匀，v f 范围较大， 设备昂贵，工效低，在制备过程中易 制品质量较好带入杂质 成本较低，增强体分布均匀，基工艺过程要求严格，较难掌握。增强 原位反应 本上无界面反应，可以使用传统相的成分和体积分数不易控制 复合法的金属熔融铸造设备，工艺周期 较短 无压浸渗法增强体分布均匀，界面反应不明工艺周期长，复合体系有限，预成型 显，设备简单，成本较低体制作较难 1 3 颗粒增强趟基复合材料的发展趋势 1 3 1 颗粒增强金属基复合材料概述 颗粒增强金属基复合材料是将颗粒增强物加入金属基体中而制成，显著 提高了金属的强度和模量，提高了耐磨耐热性和高温力学性能，降低了热膨 胀系数，这类复合材料最大的特点是可以用常规的粉末冶金、液态金属搅 拌、液态金属挤压铸造、真空压力浸渗等方法制造，并可用铸造、挤压、锻 造、轧制、旋压等加工方法进行加工成型，制造方法简单，制造成本低，适 于大批量生产。 颗粒增强金属基复合材料的性能同增强颗粒的选择有很大的关系i 州。在 目前使用的颗粒增强物一般是具有高强度、高模量、耐磨性好、耐高温的陶 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 瓷、石墨等非金属颗粒，主要有碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化钛、碳化 硼、石墨、细金刚石等【1 1 删。 选择颗粒增强物涉及的参数主要包括嗍：弹性模量、拉伸强度、密度、 熔点、热稳定性、热膨胀性、尺寸及形状、与基体材料的兼容性、成本，具 体选择是要综合考虑以下影响i 川： ( 1 ) 用途：如果用作结构材料，就要选择高模量、高强度、低密度且 颗粒形状呈球形或近似球形的增强颗粒充当增强相如果用作热控制元件， 则要选择低热膨胀系数、高导热性的增强物。 ( 2 ) 生产工艺：在粉末冶金工艺中，要使增强物与基体粉末混合均 匀，必须精心选择二者的尺寸比，如尺寸比为0 7 ：1 的s i c a i 复合粉末比 0 3 ：1 的s i c a l 复合粉末的混合均匀性更好；在液态制造工艺中，一些增强 物会与液态金属发生反应，如s i c 在绝大多数a l 合金中是不稳定的，会与 反应生成a 1 4 c 3 ，而s i c 在m g 合金中则比较稳定。增强物与基体之间严重 的反应会降低复合材料的性能，要根据基体种类、工艺温度及在液相中停留 的时间来选择增强物。增强物的线膨胀系数和弹性模量应与金属基体匹配， 另外增强物的尺寸大小也很重要，粗大的颗粒会受浮力的影响而产生严重的 铸造偏析，过细的颗粒会增大液体的粘度而使浇注困难。 ( 3 ) 成本：在满足性能要求的前提下，尽量使用成本低的增强物。 1 3 2 颗粒增强铝基复合材料的研究概况 近年来在金属基复合材料领域，铝基复合材料的发展尤为迅速。这不仅 因为它具有重量轻、比强度和比刚度高、剪切强度高、热膨胀系数低、良好 的热稳定性和导热、导电性能，以及良好的抗磨耐磨性能、耐有机液体和溶 剂侵蚀等一系列优点，而且因为在世界范围内有丰富的铝资源，加之可用常 规设备和工艺对铝基复合材料进行加工成型，使制备和生产铝基复合材料比 其他金属基复合材料更为经济，易于推广和应用。因此，这种材料在国内外 受到普遍重视。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 当前铝基复合材料的研究集中在两个方面：( 1 ) 采用连续纤维增强的具 有优异性能的复合材料，其应用范围主要集中在很特殊的领域，如航空航天 领域；( 2 ) 采用不连续增强体( 包括短纤维、晶须、颗粒等) 增强的具有优 良性能的复合材料。相对来说，颗粒增强铝基复合材料解决了纤维增强铝基 复合材料增强纤维制备成本昂贵的问题，而且材料各向同性，克服了制备过 程中出现的诸如纤维损伤、微观组织不均匀、纤维与纤维相互接触、反应带 过大等影响材料性能的许多缺点。因此，颗粒增强铝基复合材料已成为当今 世界金属基复合材料研究领域中的一个最为重要的热点，并日益向着工业规 模化生产和应用的方向发展。 颗粒增强铝基复合材料因增强体和基体的选择范围广、成本低、可热处 理性好，制备及加工工艺多样化等特点，在长纤维增强及非连续( 短纤维、 晶须和颗粒) 增强的各类金属基复合材料中最具实现低成本、大规模工业生 产的优势，因此，该类材料得到广泛的关注，近三十年来，世界各国以 s i c p a i 复合材料为主要代表，对颗粒增强铝基复合材料进行了广泛而深入 的研究，大大推动了复合材料的发展。其中颗粒增强铝基复合材料的主要研 究内容涉及到：制各与成形方法、力学性能、物理性能、微观结构、强化机 理、变形与断裂行为、时效强化等诸多方面。 1 4 压力浸渗工艺的发展概况 1 4 1 压力浸渗工艺的国内外发展状况 我国于六十年代后期开始运用该技术生产铝合金仪表制件，七十年代就 能生产出大型铝合金活塞，镍黄铜高压阀体，气动单元组合的仪表外壳和铜 合金蜗轮等产品。进入八十年代以后，该技术又得到较大发展，用该工艺进 行稳定生产的单位有几十家。制件品种有七十余种，以钢平法兰为代表的挤 压铸造技术进入生产应用领域，其中尤以哈尔滨工业大学研究的钢平法兰最 为出名，该技术发展到现在已经向复合材料，精密制造以及自动化生产的方 向发展。许多大学和研究单位也对之进行了大量卓有成效的研究，并有多本 哈尔滨工程大学硕士学位论文 有关书籍和专著出版悯，武汉理工大学陈炳光教授编写的液态金属模锻模 具设计在行业内具有相当大的影响。 。 在国外，压力浸渗技术虽然始于前苏联，但是，目前日本已成为应用该 技术最好的国家之一。据统计，目前世界各国进行压力浸渗生产的各种液压 机大约有1 0 0 0 台，其中日本宇部公司宣布售出的v s c 和h v s c 系列压力浸 渗机有2 5 0 台。 各种压力浸渗机总数与铸造机相比还是很少的，而且分布也不均匀，其 中主要是日本。但是近年来，压力浸渗机有快速增加的趋势。例如，在日本 大多数压铸厂都配有一定数量的压力浸渗机，1 9 9 8 年对日本1 1 4 家压铸公司 的统计表明，挤压铸造已占1 4 。一些性能要求高的制件，如高气密性、高 耐磨性及需固熔热处理的制件均由普通压铸改为压力浸渗生产工艺。日本宇 部公司等用v s c 6 3 0 压力浸渗机为日本日产( n i s s a n ) 汽车公司和马白达汽 车公司生产了a 3 5 6 合金的重要受力件汽车转向节，用h v s c s 0 0 机生产 了质量为2 7 k g 的a 3 5 6 合金的下杠杆，以及要求精确成形并要求耐磨、耐 压的汽车空调压缩机铝涡旋盘，用v s c l 8 0 0 压力浸渗机生产了特大型件一 汽车横梁( 十字梁) 等；荷兰的p r i n c c m a c h i n e 等多家公司用满料筒挤压铸 造工艺，为福特汽车公司开发生产了质量为1 0 k g 的a 3 铝合金的下曲轴 箱，为通用汽车公司生产了质量为7 k g 的a 3 5 6 - t 6 铝合金的后上控制杆，上 述生产设备均为合模为1 8 万k 的压铸机。国外用布勒公司压铸机设备开发 出的压力浸渗产品有滑轮、皮滑轮，发动机支架、托架、连杆、雪车离合器 等 1 6 - 2 1 。另外，日本甚至开发出了“模具先生”这一模具生产经营管理软件 i z z l o 1 4 2 压力浸渗的原理及特点 压力浸渗又称液态模锻，是介于铸造和锻压之间的成形工艺，是对浇入铸 型型腔内的液态金属施加较高的机械压力，并使其成形和凝固，从而获得铸 件的一种工艺方法。由于压力浸渗是使液态金属在较高的机械压力下进行结 哈尔滨工程大学硕士学位论文 晶，因而此工艺具有如下特点1 2 3 1 ：( 1 ) 压力浸渗工艺可以消除铸件内部的气 孔、缩孔和疏松等缺陷，产生局部的塑性变形，使铸件组织致密。加之，在 压力下结晶，还有明显的细化晶粒、加快凝固速度和使组织均匀化的作用。 ( 2 ) 液态金属在压力下成形和凝固，使铸件与型腔壁贴合紧密。因而压力 浸渗件有较高的表面光洁度和尺寸精度，其级别能达到压铸件的水平。( 3 ) 压力浸渗件在凝固过程中，各部位处于压应力状态，有利于铸件的补缩和防 止铸造裂纹产生。因而压力浸渗工艺的适用性较强，使用的合金不受铸造性 能好坏的限制。( 4 ) 压力浸渗是在压力机或挤压铸造机上进行的。和压力铸 造一样，便于实现机械化、自动化，可大大减轻工人的劳动强度，改善铸造 车间劳动条件。加之，压力浸渗工艺通常没有浇冒口，毛坯精化，铸件尺寸 精度高，因而金属材料的利用率高。可以减少切削加工量。所有这些，均有 利于降低成本，达到较高的生产率。( 5 ) 压力浸渗是通过压力进行补缩的。 对于薄壁和复杂零件，因为铸件冷凝速度快，有时来不及加压就凝固了，因 而此工艺的应用也会受到一定的局限性。另外，压力浸渗工艺中通常无浇冒 口系统，浇注的金属全部成形为铸件。因此，铸件的高度是由浇入金属的量 决定的。即其高度方向的尺寸精度取决于定量浇注的精确程度，故定量浇注 在此工艺中有非常重要的意义。 压力浸渗工艺适于生产各种力学性能要求高、气密性较好的厚壁铸件。 如汽车、摩托车铝轮毂；发动机铝活塞、铝缸体、铝缸头、铝传动箱体；减 振器、制动器铝铸件；压缩机、压气机、各种泵体的铝铸件；自行车架铝接 头、铝曲柄；铝、镁或锌合金光学镜架、仪表及计算机壳体件；铝合金压力 锅、炊具零件；铜合金轴套及铝基复合材料铸件等。的冷却速度，因此许多 用液体急冷法无法得到的非晶化材料如纯金属、半导体等可以采用这两种方 法。但是在这些方法中，非晶态材料的凝聚速率相当低，一般只用此类方法 来制备薄膜。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 、 1 5 颗粒增强铝基复合材料干摩擦磨损理论和研究现状 摩擦磨损现象虽然早就被人类认识到，但从科学的角度去研究还是近几 百年的事嘲。上世纪六十年代以后，随着工业技术水平的迅速提高和现代测 试技术的快速发展，摩擦磨损研究进入到借助于现代测试技术和表面分析工 具的现代研究阶段，使摩擦磨损的研究逐步趋于成熟。当今人们对材料摩擦 磨损的研究目标在于揭示摩擦磨损的物理本质，在材料的摩擦磨损与外界条 件及材料本身已知的物理、机械和化学性能间建立起科学的数学联系，这样 就有可能像在线性机械系统中那样，借助系统分析方法，通过数学关系把输 入值和输出值联系起来，并找到减磨或增磨的可靠途径。 1 5 1 颗粒增强铝基复合材料的主要磨损理论 在铝基复合材料的干摩擦过程中，其主要作用的磨损机制是粘着磨 损、剥层磨损和磨粒磨损。 1 5 1 1 粘着磨损 粘着磨损理论嘲指出：两个相对滑动表面在摩擦力的作用下表面层发生 塑性变形，表面的污染膜、氧花膜破裂，表面新鲜金属裸露，由于分子间力 的作用使两个表面焊合起来，如果外力克服不了焊合点及其附近的结合力， 便发生咬卡，当外力大于这个结合力时，外力克服了结合处的剪切强度，滑 动将继续进行。如果剪切发生在原来的接触表面上，那就不会发生磨损( 零 磨损) 。若剪切不发生在原来的接触表面上，而是发生在强度较低的一方， 那么强度较高( 或硬度较高) 的材料表面上将粘附软金属。在以后的重复摩 擦接触中软金属粘附物将辗转于对磨件的表面之间，这种现象称为“金属转 移”有些粘附金属在反复的活动中可能由金属表面脱落下来成为磨损产 物磨屑。根据r a b i n o w i c s 阳理论，当表面相对滑动并且接触面之间的压 力足够高，造成局部塑性变形，就会发生粘着。材料的硬度决定了接触材料 表面真实地接触面积，因此对于材料摩擦行为来说，材料表面硬度比材料整 体硬度更为重要侧。 1 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 5 1 2 剥层磨损 剥层磨损理论是s u h 嗍在1 9 7 3 年提出的，包含了粘着磨损、腐蚀磨损、疲 劳磨损等不同磨损的形成机理。该理论认为磨屑的形成是下列过程所致嗍： 当两个滑动表面相接触时，法向载荷和切向载荷通过接触点传递，较软表面 的微凸体易于变形或在重复载荷作用下发生断裂，从而形成较光滑的表面。 这时接触就不是微凸体与微凸体之间的接触，而成为微凸体对表面的接触， 这样当较硬表面的微凸体对平面相对摩擦时，较软表面上的每一接触点都要 承受周期性载荷。 施加于软表面上的摩擦牵引力使其表面层发生塑性剪切变形，变形随 重复载荷而积累。随亚表层变形的继续，裂纹或空穴在变形层中的杂质或第 二相粒子处萌生，而在接触区之下存在有三维压应力，这使得在很接近表面 处的裂纹不易形核。 裂纹一旦出现，在外界载荷作用下扩展或许会与邻近的裂纹相连接， 当这些裂纹最后向表面( 某些较薄弱部位) 剪切时，导致长而薄的摩擦薄片 脱落，这种薄片的厚度受亚表面裂纹生长的位置控制，形成磨屑的位置受表 面法向载荷和切向载荷的控制，这一磨屑形成脱落过程可以解释在很多情况 下观察到的片状磨屑产生的原因。 1 5 1 3 磨粒磨损 一对摩擦副相对滑动时，硬的表面上有粗糙微凸体，或是在滑动摩擦面 存在有硬的粒子对软表面起犁削作用，即发生磨粒磨损。其他形式产生的磨 屑，如粘着磨损粒子保留在摩擦表面间，聚集长大并经过加工硬化作用，成 为硬的粒子，也将导致磨粒磨损。由于没有润滑和粘着问题，所以相对来 说，磨粒磨损是最简单的一种磨损形式，有人称之为机械磨损。 1 5 2 颗粒增强铝基复合材料磨损机制的研究现状 复合材料的摩擦磨损过程非常复杂，影响因素涉及增强相的类型、尺 寸、体积分数、增强相与基体界面的结合强度、摩擦表面温度、摩擦对偶的 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 材质，此外外部环境等其他因素也对摩擦磨损性能有一定影响。国内外不少 学者对此进行了大量研究。 文献1 3 1 l 指出，颗粒增强铝基复合材料要比其基体合金的耐磨性好很多， 但在某些特定情况下，也表现出与基体合金相近甚至更低的耐磨性能。另 外，摩擦参数对复合材料耐磨性能的影响有时也表现出不同的影响，这是由 于不同摩擦参数之间相互影响，造成材料磨损性能体现出与单一参数作用时 不同的结果。s a n n i n o 和r a c k l 捌认为，影响影响颗粒增强铝基复合材料耐磨 性能的因素主要有两类：( 1 ) 机械和物理因素。主要有：施加在摩擦面上的 载荷，摩擦面相对滑动速度，滑动距离，摩擦环境和摩擦温度，复合材料摩 擦面及其摩擦对偶摩擦面的粗糙度。( 2 ) 材料本身的性质。主要有：增强颗 粒类型，增强颗粒的形状，尺寸及其分布，增强颗粒的体积分数，基体合金 的显微组织。由于各个影响材料摩擦磨损性能的因素之间存在相互作用，目 前仍未能建立一个可包含所有影响因素的铝基复合材料摩擦理论模型。 1 5 2 1 增强颗粒的影响 s a t o 和m e h r a b i a n 的研究表明删，含有硬质颗粒如s i c 面c s i 3 n 4 ， a 1 2 0 3 ，和s i 0 2 的复合材料比基体合金具有更好的耐磨损性能。相反，含有 软质颗粒如m 9 0 和b n 的复合材料则比基体合金的磨损率大4 巧倍。 h u e i l o n gl e e 等人 3 4 1 发现，在基体中加入s i c 增强颗粒，其耐磨性比基 体合金有很大的提高，并且随着增强颗粒体积分数的提高，其耐磨性提高。 在增强颗粒体积分数一定的情况下，颗粒粒度越大，复合材料摩擦系数越 高，耐磨性越好 c h u n g 和h w a n g t 搠研究了增强颗粒尺寸为2 - 5u m ，1 5 2 5 啪，7 0 8 5um 增强相含量最高3 0 w t 的铝基复合材料干滑动磨损性能，当s i c 颗粒尺寸范 围一定时，材料耐磨性能随s i c 颗粒含量的增加而提高；当s i c 颗粒含量一 定时，含有较大颗粒s i c 的材料表现出更高的耐磨性。剥层磨损是主要的磨 损机制，大颗粒的s i c 与细颗粒相比，具有更好的抑制亚表层裂纹扩散的作 哈尔滨工程大学硕士学位论文 用。 曹阳等i 弼研究了不同体积分数s i c 颗粒增强铝基复合材料的磨损性能， 发现随着s i c 颗粒体积分数的增加，复合材料从磨损率下降，当s i c 颗粒体 积分数达到2 5 时，复合材料的磨损率最小，而当s i c 颗粒体积分数达到 3 3 时，复合材料的磨损率高于基体合金。a n a n d 和k i s h o r e i r n 研究了a a 2 0 ( 5 - 4 0 v 0 1 ) a i 1 0 z n 复合材料的磨损性能，认为最佳颗粒含量在2 5 - 3 5 之 间。 前人的大量研究结果表明，复合材料的摩擦磨损是个十分复杂的过程， 不同实验条件下，对同种影响因素进行研究得到的结果不会完全相同，只有 在特定的实验条件下，存在着与之对应的最佳增强相种类、尺寸和含量。 1 5 2 2 压力的影响 c a o 等人发现闭，压力对材料磨损的影响很大。对某一材料而言，存在一 个磨损临界转变压力，当给摩擦面施加的压力超过此压力时，材料的磨损率 会急剧上升，磨损机制由氧化剥层磨损转变为粘着磨损。在此压力以下，基 体材料和增强后的材料表现出几乎相同的磨损率，而大于此压力时，增强后 的材料表现出的磨损率要比基体材料小很多，而且增强颗粒的体积含量越 大，相应的磨损转变压力也越高，当增强颗粒体积含量达到2 0 时，磨损转 变压力可提高6 0 。 舢p 弱和z h 如窖9 1 研究不同载荷条件- r 对s i c ( 2 0 v 0 1 ) ，5 - 1 0 u r n ) 颗粒增 强a 3 5 6 合金与基体合金磨损率的影响，发现了三个影响区域：首先是轻载区 域( o 9 1 5 n ) ，相对于基体合金，颗粒增强铝基复合材料的耐磨损性能提高了 一个数量级他们认为这是由于增强颗粒承载了几乎所有压力，所以对基体 的磨损很小。其次是更高的载荷( 1 5 9 8 n ) ，这时压力已经超过了增强颗粒的 断裂强度，增强颗粒不能承载压力对基体进行保护，所以基体合金和颗粒增 强铝基复合材料的磨损率处于同一水平。裂纹的产生、生长以及基体的剥层 脱落是这个压力区域磨屑产生的主要机制，增强颗粒的抗断裂强度是控制磨 哈尔滨工程大学硕士学位论文 损率的主要因素。最后是压力高于9 8 n 的高压力区域，这个压力区域内基体 合金的磨损非常严重，磨损率比上一个压力区域增加了两个数量级，磨损机 制主要是严重的粘着磨损。而颗粒增强铝基复合材料则表现出与上一个压力 区域相近的磨损率，亚表层的开裂脱落仍是主要的磨损机制。复合材料磨损 率较低的原因可能是由于增强颗粒的加入，使其热稳定性和高温强度得到提 高。 z h a n g 等人嗍也发现从一种磨损机制向另一种磨损机制的转化与施加载 荷成函数关系。其实验在含s i c 颗粒和a 1 她颗粒的( 1 0 - 2 0 v 0 1 ) 的a 1 6 0 6 1 合 金与低碳钢配副，滑动速度为1m s - 1 ，载荷为0 3 3 m p a 的干滑动条件下进 行，结果表明在其实验条件下，磨损机制可以分为三个阶段： ( 1 ) 初期磨损阶段，这以阶段主要为磨粒磨损，增强颗粒暴露在摩擦面 下，低碳钢对偶以切削形式被磨去，相应的摩擦系数较高； ( 2 ) 第二阶段是在的载荷下，随着摩擦距离的增加，磨损机制转变为稳定 的氧化磨损。在这种机制下，氧化的磨屑使摩擦系数和磨损率降低； ( 3 ) 第三阶段使随着压力的进一步增加，磨损机制转变为严重磨损，主要 以剥层磨损为主。 z h a n g 等人同时指出，增加增强颗粒