SiCp-Al復合板鑄軋近終成形工藝模擬與實驗研究.pdf

1、SiCp/Al復合板具有輕質(zhì)高強、熱膨脹系數(shù)小以及導熱性能好等優(yōu)點，且性能可通過改變SiC顆粒尺寸和體積分數(shù)進行定制，在電子封裝、光學結(jié)構(gòu)件等領域具有良好的應用前景。由于SiCp/Al復合材料可成形性較差，目前廣泛采用先通過攪拌鑄造、噴射沉積等方法制備坯料，再進行鍛造或熱軋的方法，以制備特定形狀的終態(tài)產(chǎn)品。為縮短生產(chǎn)流程，本文探索了通過機械攪拌法制備復合漿料，并使用雙輥鑄軋工藝直接成形SiCp/Al復合板的工藝流程。
　　在SiC

2、p/Al復合漿料攪拌制備方面，本文依據(jù)攪拌裝置的實際尺寸，建立了包含氣液兩相的多相流模型，并對槳葉所在區(qū)域進行分割，使用多參考系模型賦予了各區(qū)域相應的運動狀態(tài)。研究了攪拌過程中，槳葉與水平方向夾角、槳葉位置及攪拌速度對流場的影響規(guī)律。通過攪拌實驗進一步確定了合適的攪拌工藝參數(shù)，成功制備了SiC顆粒分布較為均勻的復合漿料。
　　在鑄軋過程中復合板內(nèi)部微觀變形規(guī)律研究方面，本文建立了表征顆粒增強金屬基復合材料微觀結(jié)構(gòu)的VPRM（Vor

3、onoi Particle Reinforced Model，簡稱VPRM）幾何模型。詳細論述了該模型的建模流程、結(jié)構(gòu)特征及控制參數(shù)，并提出了通過ANSYS自動化建模實現(xiàn)VPRM模型實體化的方法。成功構(gòu)造了包含不同總體尺寸、不同顆粒尺寸、不同顆粒體積分數(shù)、變化的顆粒間隙等特征的VPRM幾何模型。
　　使用VPRM模型進行單軸壓縮模擬，得到了顆粒尺寸為80μm、體積分數(shù)為20％的SiCp/Al復合材料的綜合熱力學性能參數(shù)。將VPRM

4、模型嵌入整體板坯模型中進行鑄軋固相區(qū)軋制形變多尺度模擬，分析了鑄軋過程中，相鄰顆粒間距、顆粒間隙形狀等對基體變形的影響規(guī)律。模擬結(jié)果表明，當相鄰顆粒間距離為10μm時，顆粒間隙中的基體材料難以變形，隨著顆粒間隙的增大，這種阻礙作用減弱；當顆粒間隙呈一定角度的楔形時，隨著楔形角度增大，間隙中的基體材料塑性變形加劇。
　　基于傳統(tǒng)二輥實驗鑄軋機和SiCp/Al復合漿料制備技術，探究了SiCp/Al復合板鑄軋成形工藝可行性，并成功制備了

5、顆粒尺寸為80μm、體積分數(shù)為4%~12%、厚度為1~3mm、寬度為50mm的SiCp/Al復合板。通過軋卡試驗，截取了鑄軋區(qū)完整試樣，使用金相顯微鏡分析了不同區(qū)域內(nèi)的顆粒分布情況。結(jié)果表明：在液相區(qū)內(nèi)，鑄態(tài)微觀形貌特征顯著，顆粒呈現(xiàn)近球狀團聚；進入固相區(qū)后，在鑄軋變形作用下，基體內(nèi)部孔洞缺陷減少，材料致密度明顯提高，顆粒團聚區(qū)域由近球形逐漸變?yōu)闂l形。通過拉伸實驗及斷口分析，發(fā)現(xiàn)在顆粒團聚區(qū)域基體滲透不完全導致顆粒與基體間結(jié)合強度低，同

6、時SiC顆粒周圍區(qū)域易產(chǎn)生應力集中，最終導致復合材料的拉伸性能明顯降低。通過提高復合漿料的均勻性，制備了顆粒分布較均勻的復合板材。通過拉伸實驗，測試了不同顆粒體積分數(shù)復合板材的力學性能。結(jié)果表明，在鋁基體中加入顆粒尺寸80μm的SiC增強相，復合板材的剛度有所提高，但隨著顆粒體積分數(shù)的增加，板材的延伸率明顯下降，其規(guī)律與已有研究結(jié)論一致。
　　此外，通過在鑄軋輥表面加工孔槽，初步探索和展望了SiCp/Al異形斷面復合型材的近終成形