超声振动辅助切削SiCp/Al复合材料的加工机理及试验

切削加工过程中材料损伤形式对加工表面质量会产生较大影响,现有仿真分析难以模拟真实颗粒失效行为,通过建立二维微观多相有限元模型能够深入了解材料损伤与表面质量的关系。基于常规切削(Conventional cutting,CC)与超声振动辅助切削(Ultrasonic vibration-assisted cutting,UVAC)两种加工方式,通过有限元仿真软件Abaqus对20%SiCp/Al复合材料的切削过程进行仿真模拟,阐释加工过程中刀具与工件的相互作用机理,并在同一参数下验证有限元仿真的准确性。通过设计单因素试验,对比两种加工方式及不同加工参数对切削力和表面粗糙度的影响规律,得出最佳加工参数组合,并对最佳加工参数下表面形貌进行分析。模拟和试验结果表明,SiC颗粒断裂、颗粒耕犁、颗粒拔出以及Al基体撕裂是影响SiCp/Al复合材料加工质量的主要原因,刀具与颗粒不同的相对作用位置会产生不同的损伤形式。与常规切削相比,施加超声振动后可以有效抑制颗粒失效和基体损伤,使加工中的平均切削力(主切削力)降低33%,工件已加工表面粗糙度值最大减小量为531 nm,显著提高了表面质量。所建立的二维微观多相有限元模型,能够有效模拟铝基复合材料的加工缺陷和裂纹损伤问题,对提高难加工材料的高质量表面制备有重要借鉴意义。

SiCp/Al复合材料焊接综述

为实现SiCp/Al复合材料的高质量可靠焊接,推广SiCp/Al复合材料在各领域的应用,调研了国内外SiCp/Al复合材料不同焊接方法的研究现状。在熔化焊方面,国内外学者通过调整工艺参数、在焊缝中加入Ti元素发生诱发反应等方法,抑制了焊缝中Al4C3针状脆性相的形成,从而提高了焊接接头的力学性能。在搅拌摩擦焊方面,国内外学者针对不同材料设计了专用的焊接搅拌头,以保证它们具备高耐磨性与足够的冲击韧性,在焊接过程中不出现破损情况;关注了焊接过程中焊接头转速、焊接速度、轴向力与热输入等因素,以获得力学性能优秀、晶粒细小均匀的焊接接头。在扩散焊方面,国内外学者探究了中间夹层对焊缝界面间原子相互扩散的促进作用;采取不同工艺参数,以外加超声或电子束表面加热等方式促进了原子间的相互扩散,以获得力学性能优异的焊接接头,提高焊接效率。在钎焊方面,国内外学者通过探究钎料与SiCp/Al复合材料之间的润湿性来组合钎料与钎剂,通过化学腐蚀处理表面暴露颗粒增强相、在复合材料表面电镀金属等方法来增大钎料与增强相的润湿性、解决钎料铺展受阻的问题,以进一步提高钎焊焊接接头质量。

基于二维切削的SiCp/Al复合材料表面损伤形成机制研究

目的研究SiCp/Al复合材料切削过程中的表面损伤形成机制。方法以SiCp/Al复合材料为研究对象,展开基于二维切削的仿真和实验研究,建立了包含铝合金2A14、SiC增强颗粒以及界面特性的SiCp/Al切削仿真模型,对作用于不同SiC颗粒部位的材料表面缺陷进行分析;接着利用高速直线电机搭建能映射二维切削条件的实验平台,在不同材料去除条件下,利用扫描电子显微镜和白光干涉仪对切削表面形貌进行测试,分析和验证切削表面损伤形成条件。结果SiCp/Al复合材料切削表面损伤机理取决于SiC颗粒相对刀具切削路径的位置:当刀尖作用在SiC颗粒的顶部时,表面损伤主要为基体撕裂、颗粒破碎;当刀尖作用在SiC颗粒的中部时,表面损伤为颗粒破碎导致的裂纹和凹坑;当刀尖作用在SiC颗粒的底部时,表面损伤为颗粒拔出导致的凹坑。随着切削深度的增大,凹坑逐渐增多,表面粗糙度随之增大。结论利用二维切削模型仿真方法和高速直线电机实验,可以有效研究复合材料切削损伤形成机制。SiC颗粒相对刀具切削路径的位置不同会导致切削损伤不同;SiCp/Al复合材料表面质量会随着切削速度的提升而有所提高。

SiCp/Al复合材料在常规与超声振动辅助条件的切削过程和表面形成的有限元分析

SiCp/Al复合材料是一种典型的难加工的材料,由于其基体中颗粒增强导致常规切削中加工质量差、切削阻力高、加工损伤高,机械加工性差,常规切削已不能满足加工要求。通过切削仿真,对比分析常规与超声振动辅助切削条件下复合材料的切削过程、SiC颗粒的损伤特性、工件的表面形貌与亚表面损伤。结果表明,相比于常规切削,超声振动辅助切削可以提高复合材料的表面完整性,减少复合材料的亚表面损伤,并且能够提高工件的表面质量。

施镀时间对SiCp/Al复合材料化学镀Ni-P镀层的影响

采用化学镀的方法在激光选区熔化(SLM)技术成型的SiCp/Al复合材料表面制备了Ni-P镀层,研究了施镀时间对镀层的表面形貌、截面厚度、沉积速率、相结构和显微硬度的影响。结果表明:化学镀0.5~12 h时,镀层都呈胞状形貌,且呈非晶态结构,为高磷镀层;随着施镀时间的延长,胞状组织逐渐变大,表面逐渐致密,镀层厚度逐渐增大,但增长速率越来越小,显微硬度先增大后趋于稳定。施镀时间为8 h时的镀层表面平整、致密、连续,厚度可达100μm,显微硬度为653.4 HV,镀层与基体结合强度为77.2 N。

占空比对SiCp/Al基复合材料微弧氧化膜层组织及性能的影响

以NaAlO2+NaOH为电解液体系,在恒压模式下对SiC体积分数为45%,粒径为5μm的SiCp/Al基复合材料表面进行微弧氧化处理,研究了占空比对SiCp/Al基复合材料微弧氧化膜层组织及性能的影响。用SEM分析微弧氧化膜层的形貌;用X射线衍射仪分析膜层的相组成;采用粗糙度仪、维氏硬度仪、划痕仪对膜层粗糙度、显微硬度及结合力进行了分析;用电化学工作站分析膜层的耐蚀性。结果表明:随着占空比的增大,微弧氧化膜层变得连续,厚度呈现增加趋势,粗糙度逐渐增加,孔隙率逐渐降低。占空比对微弧氧化膜层的物相有一定影响。SiCp/Al基复合材料微弧氧化膜层与基体的结合力随占空比的增加先增大后减小。不同占空比下制备的微弧氧化膜层均能提高SiCp/Al基复合材料的耐蚀性,占空比为70%时制备的微弧氧化膜层耐蚀性最好。

挤压铸造压力对超声辅助成形纳米SiCp/Al-Cu复合材料颗粒分布与力学性能的影响

采用超声振动技术制备2%(质量分数)纳米SiCp/Al-Cu复合材料浆料,并研究挤压铸造压力对纳米SiCp/Al-Cu复合材料颗粒分布和力学性能的影响。研究发现,随着挤压压力从0增至400 MPa,合金α(Al)晶粒尺寸先大幅降低而后下降趋势变缓,并且铸件中孔隙率明显降低。当挤压压力为400 MPa时,α(Al)晶粒尺寸从105μm减小到25μm,纳米SiCp分布得到明显改善,以致其力学性能最佳。复合材料的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为290 MPa、182 MPa和10%,相比于重力铸造(0 MPa)分别提高52.6%、25.5%和400%。在高压作用下,纳米SiCp/Al-Cu复合材料强度和伸长率的提高归因于晶粒细化、孔隙率降低和纳米颗粒均匀分布。

制动过程中Al-Si/SiCp复合材料制动盘表面温度的计算

为了研究摩擦过程中制动盘摩擦表面温升的情况,在1∶1惯性制动实验研究的基础上,基于制动过程中摩擦热流强度的变化,建立了制动时制动盘传热模型,推导出了制动盘摩擦表面温度的计算公式,并用此公式算出的结果与实测温度进行了对比.结果表明:其理论计算结果与实验结果能够很好地吻合.

喷射沉积Al-Si/SiCp复合材料干滑动磨损机理的研究

通过MM1000摩擦磨损试验,研究了喷射沉积Al-Si/SiCp复合材料在干滑动状态下的摩擦磨损特征,并对摩擦层的显微组织和形貌进行了观察,同时对磨损机理进行了分析。结果表明,随着基体中硅含量的增加,复合材料的磨损率大大降低,另外,致密化处理可进一步改善铝基复合材料的耐磨性能。随复合材料硬度的增加,磨损机理由严重磨粒磨损向轻微磨粒磨损转变。

切削SiCp/Al复合材料的切屑形成及颗粒损伤仿真分析

为探究SiCp/Al复合材料在切削过程中的切屑形成及颗粒损伤过程,运用ABAQUS有限元分析软件建立了考虑颗粒随机分布的SiCp/Al复合材料切削仿真模型,并在模型中分别定义了Al基体、Al基体-SiC颗粒结合界面以及SiC颗粒的损伤失效行为。结果表明,裂纹在Al基体-SiC颗粒结合界面或Al基体中的形成与扩展是导致切屑断裂的主要原因,也是影响切屑形态的主要因素;SiC颗粒存在完全断裂、局部破碎、整体拔出以及局部脱黏等损伤形式,并相应在切削加工表面或亚表面留下划痕、凹坑、孔洞和凸起等缺陷;椭圆形SiC颗粒的中心位置相对于切削路径的位置越高,SiC颗粒越容易脱黏,切削加工表面缺陷也越小;椭圆形SiC颗粒倾斜夹角(椭圆形长轴与切削方向之间的夹角)为135°时,颗粒损伤程度最高,切削加工表面缺陷最大。分析切屑形成和颗粒损伤过程是研究SiCp/Al复合材料切削加工特性的有效途径,对于优化SiCp/Al复合材料的制造工艺,改善SiCp/Al复合材料已加工表面质量具有重要意义。

热压烧结温度对SiCp/Al复合材料性能的影响

采用热压烧结法制备SiCp/Al复合材料,研究烧结温度对复合材料性能的影响。用X射线衍射、阿基米德排水法、三点弯曲法和扫描电镜分析复合材料样品的物相组成、相对密度、力学性能及微观形貌,并测定其热导率和热膨胀系数。结果表明:SiCp/Al复合材料由SiC、Al和Mg2Si相组成,加入Mg提高了基体和SiC颗粒之间的浸润性。随着烧结温度升高,复合材料的硬度和抗弯强度先增加后下降,在700℃时达到最大值98 HRB和275 MPa;复合材料的热导率先增加后下降,热膨胀系数先下降后增加,在700℃时分别达到最大值218.187 W/(m·K)和最小值8.6×10^(−6)K^(−1)。

高体分SiCp/Al复合材料的热加工特性研究

利用Gleeble-1500型热模拟试验机,在变形温度420~540℃、应变速率0.003~0.100 s-1的条件下对真空热压法制备的25vol%SiCp/Al-30Si复合材料进行了等温热压缩试验,建立了基于峰值应力的包含Arrhenius项同时考虑应变、应变速率及温度影响的本构方程,观察了复合材料压缩变形前后的组织形貌。结果表明:25vol%SiCp/Al-30Si复合材料的流变应力随变形温度的升高而降低,随应变速率的增加而升高,显示为较强的变形温度与应变速度敏感性。通过线性回归分析计算了复合材料的应变指数n以及变形激活能Q,复合材料的热压缩流变应力可用包含Zener-Hollomon参数的双曲线正弦关系来描述。复合材料在低温热压缩变形中发生了伪塑性变形,温度不低于540℃、应变速率0.003~0.010 s-1条件下热加工可修复和改善复合材料的空洞和颗粒区域性分布不均。

SiCp/Al复合材料钻孔出口崩边损伤影响因素的研究

为研究碳化硅颗粒增强铝基(SiCp/Al)复合材料钻孔出口处崩边损伤及其形成原因,建立了简化的二维钻孔出口有限元模型,选用Johnson-Cook本构模型、Brittle Cracking本构模型和零厚度内聚力单元分别作为铝基体、碳化硅颗粒和Al-SiC界面的本构。根据仿真结果分析了钻孔出口处崩边损伤的形成过程以及钻削过程中进给量对崩边损伤尺寸和轴向钻削力的影响。结果表明:SiCp/Al复合材料崩边损伤尺寸和轴向钻削力会随着钻头进给量的增加而增加;崩边损伤形成的关键在于是否有合适的铝基体塑性变形将萌生的微裂纹进行桥接,且崩边损伤尺寸大小与颗粒分布方式有关。

研磨SiCp/Al复合材料微弧氧化膜的有限元仿真研究

SiCp/al复合材料两相性能差异大,研磨缺陷多,通过表面微弧氧化,生成硬脆的陶瓷氧化膜,建立两相延性耦合去除的研磨条件,故基于ABAQUS有限元仿真软件,建立单磨粒研磨SiCp/Al复合材料微弧氧化膜的三维模型并进行仿真实验,得到了陶瓷膜在材料去除过程中的表面应力变化规律,通过改变研磨加工工艺参数,得到不同工艺参数与切削力的关系,仿真结果表明:当其他条件一定时,研磨速度越快,磨粒切削力越小;研磨压力越大,磨粒切削力越大;磨粒越大,磨粒切削力越大。

SiCp/Al复合材料微孔钻削的仿真分析和试验研究

运用ABAQUS/Explicit对颗粒增强铝基复合材料(SiCp/Al)进行0.5mm微孔钻削有限元仿真,通过研究网格尺寸和质量放大系数对钻削力结果的影响,优化微孔钻削仿真的参数,模拟主轴转速和进给速度对钻削力的变化规律、钻屑的形成及其形貌的作用规律。基于仿真结果设置主轴转速和进给速度,进行SiCp/Al复合材料微孔钻削试验。结果表明:选取合适的单元尺寸和质量放大系数可明显提高仿真精度;低主轴转速、大切削厚度会产生较大的碎片状钻屑,使排屑困难;仿真时采用材料均质化模型会带来一定的误差。

常规铸造工艺条件下SiC_p/Al-Si复合材料中的界面反应

采用搅拌复合法制备了10%SiC/Al-5Si-Mg,10%SiC/Al-7Si-Mg(体积分数)复合材料,研究了在常规铸造工艺条件下重熔后复合材料中的界面反应。通过透射电镜和能谱分析可知,SiC界面基本上都是单一的SiC/Al及SiC/Si界面,部分界面上有MgAl2O4颗粒相形成,由于基体合金中Si的存在,生成Al4C3的有害界面化学反应得到了抑制。对不同文献中抑制Al4C3产生所需临界Si含量实验测定结果的差异进行了分析。

喷射沉积SiC_P/Al-Si复合材料干滑动磨损性能的研究

采用喷射沉积法制备SiCP体积分数为15%,Si质量分数分别为7%,13%和20%的SiCP/Al-Si复合材料,并经热挤压致密化加工.采用环-块式摩擦试验机对复合材料的干滑动摩擦磨损性能进行了测试分析,滑动速度为1m/s,外加载荷分别为10,50,100,120,150、200和220N,同时对摩擦层的显微组织和形貌以及复合材料磨损机制进行了分析.结果表明,随着复合材料基体中Si含量的增加,复合材料的磨损性能增强,在低载荷下,复合材料主要以氧化磨损和磨粒磨损为主,在高载荷下,磨损机制则转变为粘着磨损,但对于SiCP/Al-20%Si复合材料仍以氧化磨损为主,并伴有轻微的粘着磨损.

SiC_p/Al-Si复合材料中SiC/Al界面处亚晶铝带的研究

通过利用 TEM研究 Si Cp/ Al- Si复合材料发现 :Si C/ Al界面结合紧密 ,在靠近 Si C界面的 Al基体中 ,有一层厚度小于 1μm的“亚晶铝带”,它紧靠 Si C表面形成 ,与远离 Si C的 Al基体有几度的位向差 ;这种“亚晶铝带”在 Si C/ Al界面上普遍存在 ,其内有大量位错。

40%SiCp/Al复合材料热变形行为及热加工图

采用Glebble-1500D热模拟试验机,在350~500℃变形温度、0.01~10.00 s^(-1)应变速率条件下进行等温压缩变形,研究40%SiCp/Al复合材料(体积分数)的热加工性能。通过热变形真应力-真应变曲线分析复合材料的热变形规律,建立材料本构方程,利用动态材料模型计算出应变速率敏感指数和功率耗散效率系数,绘制出功率耗散图、失稳图及二维加工图。结果表明,应变速率和变形温度显著影响流变应力,应变速率一定时,变形温度升高,流变应力减小;在相同的变形温度下,随应变速率的增加,流变应力也随之升高。根据加工图可知,在高温高应变速率条件下,材料的功率耗散效率系数大,说明该变形区域发生了组织转变;应变对失稳区域和加工区域影响不大,功率耗散效率系数随应变的增加而增大。40%SiCp/Al复合材料建议热加工条件为变形温度436~491℃,应变速率0.04~9.97 s^(-1)。

制动盘用SiCp/A357铝基复合材料摩擦磨损性能研究

采用搅拌铸造法制备SiCp含量分别为0 wt%、10 wt%、20 wt%、30 wt%、40 wt%的SiCp/A357铝基复合材料(SiCp/A357复合材料)。在MVF-1A摩擦磨损试验机上以45#钢为对磨材料,研究SiCp含量对SiCp/A357复合材料干滑动摩擦磨损性能的影响,并采用扫描电镜(SEM)对SiCp/A357复合材料磨损表面观察分析。结果表明:加入SiCp可细化基体晶粒,降低SiCp/A357复合材料孔隙率,相比于A357基体铝合金材料,40 wt%SiCp/A357复合材料的硬度提高了70.3%,可达155HBW。SiCp/A357复合材料的平均摩擦系数和磨损率均随SiCp含量的增加呈现先下降后上升的趋势,当SiCp含量为20 wt%时,达到最低的平均摩擦系数0.420和最低的磨损率4.15×10^(-3)g·m^(-3)。在60 N负载下,A357基体铝合金材料的磨损机制以粘着磨损为主,随着SiCp含量增加,SiCp/A357复合材料的磨损机制转变为以磨粒磨损(20 wt%SiCp/A357)与剥层磨损(40 wt%SiCp/A357)为主。