离心铸造SiC颗粒局部增强铝基复合材料活塞的组织性能研究

摘要

本论文研究了机械搅拌法制备SiC颗粒增强ZL104/ZL109与自行配制的共晶铝硅合金复合材料浆料的工艺,研究了重量各3.6kg的基体合金分别为ZL104、ZL109与自行配制的共晶铝硅合金添加SiC增强颗粒的复合材料制备技术。添加SiC增强颗粒总体质量分数均为20％,体积分数为17.2％。其中,(1)ZL104基体合金的添加增强颗粒15μm,30μ m和50μm质量各占三分之一(各粒径体积分数均为5.733％)(工艺一)；(2)ZL109基体合金的添加增强颗粒15μm,30μm和50μm所占体积分数分别为4.3％,7.224％,5.676％(工艺二)；(3)共晶铝硅合金添加SiC增强颗粒15μm,30μm重量各占10％。制备出了流动性良好的颗粒增强铝基合金复合材料浆料,研究了四种离心铸造工艺条件下(工艺A、B、C、D)复合材料活塞成形情况。得到了ZL104/ZL109基体合金SiC颗粒在头部偏聚的完整、光洁、组织致密、性能优良的铝基复合材料活塞。
　　 参照实验数据,应用目前国际上流行的商业软件FLUENT模拟了厚壁活塞与薄壁活塞添加SiC颗粒后铝液与各种粒径SiC颗粒在活塞零件中的分布及体积分数的大小,对模拟结果与实验结果进行了对比分析。结果表明,SiC颗粒粒径越大,越易偏聚至活塞头部远端,形成具有一定厚度的颗粒层,三种粒径SiC混合SiC颗粒的总体积分数相比二种粒径SiC混合的有所提高,薄壁活塞的SiC颗粒体积分数高于厚壁活塞的。模拟的情况与实际情况基本吻合,说明对离心力作用下的颗粒分布的数值计算方法基本正确。ZL104(工艺一)所得到活塞的组织与性能优于ZL109(工艺二)活塞,共晶合金试样D(工艺D)所获得的性能较其他工艺所获得活塞组织、性能最好。
　　 研究了离心铸造成形的活塞零件热处理工艺,对活塞进行了固溶和时效处理；分析了复合材料活塞的宏观与微观组织,测量了热处理前后的活塞试样的硬度与耐磨性能;分析了热处理对活塞性能的影响。结果表明:热处理提高了复合材料的硬度,热处理是提高颗粒增强金属基复合材料强度的途径之一；热处理后,颗粒层硬度提高程度小于基体层硬度提高程度。时效处理降低了复合材料的耐磨性。
　　 最后从离心铸造成形的ZL104的基体活塞零件毛坯上截取了活塞进行机加工,得到了加工后环槽区清晰有光泽的活塞零件。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 复合材料概述

1.1.1 复合材料定义及分类

1.1.2 金属基复合材料(Metal Matrix Composites-MMCs)的定义及分类

1.1.3 复合材料增强体

1.1.4 金属基复合材料的制造方法

1.1.5 金属基复合材料的性能

1.1.6 金属基复合材料的应用

1.1.7 我国金属基复合材料的研究开发现状

1.1.8 铝基复合材料

1.1.9 碳化硅颗粒增强铝基复合材料

1.2 离心铸造技术概述

1.2.1 离心铸造定义

1.2.2 离心铸造分类

1.2.3 离心力

1.2.4 离心铸造的优点和局限性

1.3 活塞概述

1.3.1 活塞组工作条件及其对活塞的要求

1.3.2 铝基复合材料活塞

1.3.3 铝基复合材料活塞的应用及发展概况

1.4 本课题研究的目的和内容

1.4.1 本课题研究的目的

1.4.2 本课题研究的内容

1.5 本章小结

2 离心铸造SiC颗粒增强铝基复合材料活塞的试验方法

2.1 试验材料

2.1.1 基体合金材料

2.1.2 增强体材料

2.2 试验设备及模具

2.2.1 搅拌器和电阻炉

2.2.2 立式离心铸造机与模具、砂芯

2.2.3 模具优化及砂芯尺寸优化

2.3 SiC颗粒增强铝基复合材料活塞的制备

2.3.1 对SiC增强颗粒的预处理

2.3.2 复合材料浆料的制备

2.3.3 离心铸造成形铝基复合材料活塞

2.4 铝基复合材料活塞的热处理

2.5 铝基复合材料活塞性能测试及其试样制备

2.5.1 活塞硬度测试及其试样制备

2.5.2 活塞耐磨性测试及其试样制备

2.6 本章小结

3 复合材料中的基体合金液与SiC颗粒分布规律的数值计算

3.1 计算流体力学CFD基础

3.1.1 流体力学的基本概念

3.2 FLUENT基本介绍

3.2.1 FLUENT软件组成

3.2.2 FLUENT的文件类型

3.2.3 FLUENT的特点

3.3 控制方程

3.3.1 质量守恒方程(物质导数)

3.3.2 质量守恒方程(连续性方程)

3.3.3 动量守恒方程(N-S方程)

3.3.3 能量方程与导热方程

3.4 数值模拟方法和分类

3.5 有限体积法

3.6 建模及网格划分

3.6.1 建模的基本设定和要求

3.6.2 网格划分软件介绍

3.6.3 建模

3.6.4 网格划分

3.7 FLUENT模拟

3.7.1 启动FLUENT主程序

3.7.2 选择2D求解器

3.7.3 读入网格文件

3.7.4 网格检查

3.7.5 网格调整

3.7.6 平滑(或者交换)网格

3.7.7 网格显示

3.7.8 建立求解模型

3.7.9 定义多相流计算模型

3.7.10设置粘度模型

3.7.11设置流体的物理属性

3.7.12定义各相的性质

3.7.13定义操作环境Operating Conditions

3.7.14定义边界条件Boundary Conditions

3.7.15求解控制设置

3.7.16求解初始化

3.7.17求解

3.8 FLUENT模拟结果及分析

3.8.1 共晶铝硅合金添加SiC颗粒的模拟结果(薄壁两种粒径SiC颗粒混合)

3.8.2 ZL104、ZL109的两种工艺添加SiC颗粒的模拟结果(厚壁三种粒径SiC颗粒混合)

3.8.3 共晶铝硅合金添加SiC颗粒的模拟结果(厚壁两种粒径SiC颗粒混合))

3.8.4 ZL104、ZL109的两种工艺添加SiC颗粒的模拟结果(薄壁三种粒径SiC颗粒混合)

3.9 对FLUENT模拟结果的分析和意义

3.10 本章小结

4 活塞零件组织观察和性能检测结果及分析

4.1 活塞宏观组织分析

4.1.1 活塞毛坯及宏观形貌

4.2 共晶合金铝基复合材料活塞微观组织分析

4.2.1 浆料浇注温度对活塞组织的影响

4.2.2 模具温度对活塞组织的影响

4.3 ZL104与ZL109合金铝基复合材料活塞微观组织分析

4.4 共晶合金基体活塞头部偏聚区SiC增强颗粒体积分数测试值及与模拟值的比较

4.5 zL104与ZL109合金基体活塞的SiC增强颗粒体积分数测定值沿轴向的变化及与模拟值的比较

4.6 离心铸造活塞零件的性能测试结果及分析

4.6.1 共晶合金铝基复合材料活塞头部偏聚区的性能测试结果及分析

4.6.2 ZL104与ZL109合金铝基复合材料活塞性能测试结果及分析

4.7 本章小结

5 结论与创新点

5.1 结论

5.2 进一步的研究工作

5.3 创新点摘要

致谢

参考文献

附录

A.作者在攻读学位期间发表的论文目录

B.作者在攻读学位期间取得的科研成果目录

C.共晶合金两种热处理状态对应的硬度值

D.ZL104与ZL109合金三种热处理状态对应的硬度值

E.共晶合金两种热处理状态对应的磨损量

F.ZL104、ZL109两种合金三种热处理状态对应的磨损量