SiCp/Al复合板铸轧近终成形工艺模拟与实验研究

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SiC_p/Al复合板具有轻质高强、热膨胀系数小以及导热性能好等优点,且性能可通过改变SiC颗粒尺寸和体积分数进行定制,在电子封装、光学结构件等领域具有良好的应用前景。由于SiC_p/Al复合材料可成形性较差,目前广泛采用先通过搅拌铸造、喷射沉积等方法制备坯料,再进行锻造或热轧的方法,以制备特定形状的终态产品。为缩短生产流程,本文探索了通过机械搅拌法制备复合浆料,并使用双辊铸轧工艺直接成形SiC_p/Al复合板的工艺流程。在SiC_p/Al复合浆料搅拌制备方面,本文依据搅拌装置的实际尺寸,建立了包含气液两相的多相流模型,并对桨叶所在区域进行分割,使用多参考系模型赋予了各区域相应的运动状态。研究了搅拌过程中,桨叶与水平方向夹角、桨叶位置及搅拌速度对流场的影响规律。通过搅拌实验进一步确定了合适的搅拌工艺参数,成功制备了SiC颗粒分布较为均匀的复合浆料。在铸轧过程中复合板内部微观变形规律研究方面,本文建立了表征颗粒增强金属基复合材料微观结构的VPRM(Voronoi Particle Reinforced Model,简称VPRM)几何模型。详细论述了该模型的建模流程、结构特征及控制参数,并提出了通过ANSYS自动化建模实现VPRM模型实体化的方法。成功构造了包含不同总体尺寸、不同颗粒尺寸、不同颗粒体积分数、变化的颗粒间隙等特征的VPRM几何模型。使用VPRM模型进行单轴压缩模拟,得到了颗粒尺寸为80μm、体积分数为20%的SiC_p/Al复合材料的综合热力学性能参数。将VPRM模型嵌入整体板坯模型中进行铸轧固相区轧制形变多尺度模拟,分析了铸轧过程中,相邻颗粒间距、颗粒间隙形状等对基体变形的影响规律。模拟结果表明,当相邻颗粒间距离为10μm时,颗粒间隙中的基体材料难以变形,随着颗粒间隙的增大,这种阻碍作用减弱;当颗粒间隙呈一定角度的楔形时,随着楔形角度增大,间隙中的基体材料塑性变形加剧。基于传统二辊实验铸轧机和SiC_p/Al复合浆料制备技术,探究了SiC_p/Al复合板铸轧成形工艺可行性,并成功制备了颗粒尺寸为80μm、体积分数为4%~12%、厚度为1~3mm、宽度为50mm的SiC_p/Al复合板。通过轧卡试验,截取了铸轧区完整试样,使用金相显微镜分析了不同区域内的颗粒分布情况。结果表明:在液相区内,铸态微观形貌特征显著,颗粒呈现近球状团聚;进入固相区后,在铸轧变形作用下,基体内部孔洞缺陷减少,材料致密度明显提高,颗粒团聚区域由近球形逐渐变为条形。通过拉伸实验及断口分析,发现在颗粒团聚区域基体渗透不完全导致颗粒与基体间结合强度低,同时SiC颗粒周围区域易产生应力集中,最终导致复合材料的拉伸性能明显降低。通过提高复合浆料的均匀性,制备了颗粒分布较均匀的复合板材。通过拉伸实验,测试了不同颗粒体积分数复合板材的力学性能。结果表明,在铝基体中加入颗粒尺寸80μm的SiC增强相,复合板材的刚度有所提高,但随着颗粒体积分数的增加,板材的延伸率明显下降,其规律与已有研究结论一致。此外,通过在铸轧辊表面加工孔槽,初步探索和展望了SiC_p/Al异形断面复合型材的近终成形方法,为进一步深入开展该领域研究奠定了基础。
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