搅拌摩擦加工制备SiCp/铝基复合材料中增强相分布均匀性研究

摘要

铝合金本身耐磨损性较差、硬度低等特点限制了其应用范围，而铝基复合材料不仅保持了铝合金基本的优良性能而且在其基础上使性能提高。搅拌摩擦加工技术制备SiCp/AL基复合材料以其独特的优势备受关注，但由于增强相本身易于团聚、与基体结合能力较差等缺点，使其应用受到限制。因此本文主要研究了不同工艺参数下，复合材料的微观组织结构和增强相分布均匀性，讨论了均匀性与性能的关系，并通过数值模拟分析了搅拌摩擦加工过程中的温度场、流场以及增强相粒子流动。本文改变的工艺的参数主要包括增强相粒径大小、加工道次、开槽位置、加工及旋转方向、搅拌头形状等，实验结果表明：
　　不同的颗粒大小对应不同的库仑力，在一定范围内颗粒直径越大分散性越好；搅拌摩擦加工过程中塑性金属和增强相颗粒在搅拌头多次强烈的机械搅拌、挤压作用下变形、破碎、混合，塑性金属的变形抗力降低，塑性金属包裹 SiCp流动性增强，经过3道次搅拌摩擦加工，SiCp充分地与基体结合，并最终均匀弥散分布在基体金属中；开槽位置影响了增强相颗粒与轴肩和搅拌针热和力的作用时间，通过横截面和水平面颗粒分布情况并结合定量计算得到，前进侧开槽位置SiC颗粒分布最为均匀，中间开槽位置次之，后退侧开槽位置最差；旋转方向或加工方向改变均能使加工区域面积扩大，增强相分布均匀性增强，但旋转方向引起的前进侧和后退侧位置的变化带来的增强相颗粒分布更加均匀；轴肩与搅拌针的比例略小于3:1利于颗粒均匀分布，对于不同形状的搅拌针，螺纹形的搅拌头由于其特殊的构造使得塑性金属的流动更加剧烈，颗粒分布相对更加均匀。搅拌中心区和轴肩区硬度较为均匀，主要集中在72 Hv左右，而母材硬度为44 Hv-48 Hv，搅拌摩擦加工区域显微硬度较母材明显提高。随着搅拌摩擦加工道次的增强，复合材料的显微硬度、屈服强度和抗拉强度均升高，但拉伸性能仍低于基体材料。
　　通过ANSYS-FLUENT二次开发并对搅拌摩擦加工过程进行模拟，结果表明：搅拌摩擦加工的主要产热区域为搅拌头轴肩，远离搅拌头的区域温度降低，温度场关于加工中心线并不对称，前进侧的温度高于后退侧，搅拌头后方的温度梯度小于前方且最高温度出现在搅拌头后方；模拟流场时发现塑性金属流动速度大小与温度高低有直接关系，轴肩边缘处材料的塑性流动速度最大；第二相粒子追踪发现轴肩作用区有少量增强相粒子越过中心线向后退侧分布，由于加工中心区域下部搅拌针作用较弱，增强相多分布在开槽位置处，但增强相颗粒整体分布于前进侧。

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第1章 绪 论

1.1 选题背景及意义

1.2 铝基复合材料制备研究

1.3 搅拌摩擦加工技术研究现状

1.4 本课题主要研究内容

第2章 实验材料、设备及方法

2.1 实验材料

2.2 实验设备

2.3 实验方法

2.4 复合材料组织观察

2.5 试样性能分析

第3章 复合材料增强相均匀性

3.1 搅拌摩擦加工制备铝基复合材料

3.2 复合材料横截面形貌分析

3.3 特殊工艺对增强相颗粒分布均匀性的影响

3.4 复合材料性能与增强相均匀性分析

3.5 本章小结

第4章 搅拌摩擦加工过程中的数值模拟

4.1 引言

4.2 ANSYS-FLUENT有限元软件简介

4.3 模型的建立

4.4 模拟结果分析及验证

4.5 本章小结

结论

参考文献

致谢

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