双联通碳化硅/铝合金复合材料全尺寸高铁制动盘设计、制备与抗热疲劳机理研究

Design,preparation of aluminum matrix composite brake discs is the key research direction of the rail vehicles to achieve localization of key components, lightweight and independent innovation. Thermal fatigue life of the aluminum brake discs is an important scientific issues，which constrained the improving the reliable operation and reducing the cost. The project is based on bionic abrasion/heat principles, to optimize cellular microstructure by changing the aperture of SiC framework and SiC volume percentage of the brake disc friction surfaces. Building for different brake disc brake thermal working conditions - force - airflow coupling mathematical model to form a double unicom SiC/aluminum brake disc friction surface microstructure/disc structure, friction/resistance thermal fatigue properties and service environment factors collaborative design by exploring the mechanism of heat dissipation and thermal fatigue mechanism of proposed honeycomb structure. And variation of the brake disc friction performance in different conditions is revealed by friction material brake disc experimental tester based friction properties and thermal fatigue resistance, proven thermal crack propagation mechanism and to seek ways to control the crack propagation. Optimize and stabilize the low-pressure casting process ,preparation full-scale near-to-shape high speed train aluminum brake discs by using of low-pressure casting technique casting with no defects, brake disc shape deformation after heat treatment. The technical is new, saving energy, weight losing and laid the foundation for further theoretical and experimental realization of novel biomimetic high speed train aluminum brake disc development.

铝基复合材料制动盘的设计和制备是轨道车辆关键零部件实现国产化，轻量化和自主创新的重点研究方向。热疲劳问题是制约铝基制动盘寿命提高、可靠运行和成本降低的重要科学问题。本项目基于仿生耐磨/散热原理，调控SiC骨架孔径和SiC占复合材料体积百分数来优化制动盘摩擦面拟蜂巢显微结构。通过探讨拟蜂巢结构的散热和抗热疲劳机理，构建适合不同制动工况下的热-力-气流耦合数学模型，形成双联通SiC/铝合金制动盘显微结构/盘体结构、摩擦/抗热疲劳性能与服役环境因素协同设计。利用摩擦实验评价制动盘的摩擦性能和抗热疲劳性能，揭示制动盘在不同工况下摩擦性能变化规律和摩擦机理，探明热裂纹扩展机理并寻求控制裂纹扩展的途径。优化并稳定低压铸造工艺，铸造无缺陷，热处理后不变形的全尺寸制动盘定型样品。该技术创新性强，节能、减重，环保，为进一步实现新型仿生高铁铝基制动盘开发奠定理论与实验基础。

热疲劳问题是制约铝基制动盘寿命提高、可靠运行和成本降低的重要科学问题。本项目通过大量的试验研究和理论分析，开展了制备双联通碳化硅/铝合金复合材料（SiC3D/Al）高速列车制动盘的关键技术及摩擦特性研究。在材料制备技术研究方面，以分析SiC3D/Al复合材料低压铸造工艺热力学和动力学为基础，开发了制备高质量复合材料技术及设备；探讨了提高复合材料热疲劳性能、提高SiC与基体结合界面强度的工艺措施；所制备的SiC3D/Al复合材料具有SiC含量高、分布均匀、界面结合好、无显微疏松的特点。在SiC3D/Al复合材料性能研究方面，采用计算机模拟，试验优化方法对制动盘散热结构优化，获得了制备出良好抗热疲劳性能材料的配比和热处理工艺；探讨了SiC骨架加入数量、低压铸造工艺、热处理工艺、铸型材料对常温拉伸性能影响；测试了材料的力学和物理性能，分析了材料常温和高温断裂失效机理，为批量生产和开展深入研究提供了重要的实验数据。在成型技术研究方面，针对制动盘尺寸大、结构复杂和SiC3D/Al复合材料低压铸造性能差的特点，借助于计算机凝固模拟技术确定了制动盘成型工艺参数，实现了制动盘在低压充型、压力下凝固的成型特点，解决了制动盘难以成型的问题。采用低压铸造工艺，成功地生产出SiC3D/Al合金制动盘毛坯。解剖检验、X射线和超声波检测表明，制动盘实体无缩孔。检测分析表明，制动盘各处致密度无差别，无缩松现象。说明所采用的铸造工艺是合理可行的。制动温度场和应力场模拟计算结果显示，与合金铸铁制动盘相比SiC3D/Al复合材料具有优良的热力学性能，有利于制动盘中形成较均匀的温度分布和较小的热应力从而具有优异的抗热疲劳性能。分别采用MM3000摩擦试验机和1﹕1全尺寸台架动力试验台按照UIC541-3标准进行了SiC3D/Al复合材料和铜基粉末冶金和SiC3D/Cu材料摩擦试验，表明复合材料摩擦副具有较好的摩擦磨损性能，满足380 km/h高铁紧急制动要求。发表了科技论文，申请了发明专利，撰写了“铝基复合材料制动盘设计与制备》”总结报告，完成了一部特色专著《铝基复合材料制动盘设计与制备》和2部教材编著工作。