常规钢铁材料已无法满足当今工业化中多元化的需求，铝基复合材料已逐步应用于航天航空、军工、轨道交通等领域。铝基复合材料（AMCs）制备及其制动盘生产一直为轨道交通领域“卡脖子”关键技术，德国AEG和MBB公司联合研制的复合材料转向架HLD-300及Knorr公司将新型制动盘应用于ICE高速列车，Knorr公司将AMCs制动盘投入到欧洲、日本、香港和上海多条地铁线路。张桢林等研发了SiCp含量为20%的A357铝基复合材料。徐骏等研发的AMCs制动盘打破国外垄断格局，推动先进轨道交通装备（含磁浮）产业链发展。杨智勇等将真空调压成型技术应用到城轨车辆用制动盘。FORD公司与TOYOTA公司共同研发SiC/Al汽车制动盘，并应用于Lincoln、Elise桥车中。沿用城轨铝基复合材料制动盘研发经验，选用SiCp/A356复合材料，其制备方法有搅拌铸造法、挤压铸造法及粉末冶金法。搅拌铸造法制备AMCs材料得到广泛应用，SAINI P用底铸式搅拌铸造法制备SiCp/4032复合材料性能优越。相较于固相制备AMCs中界面反应得到有效控制，搅拌铸造法中增强颗粒与基体的润湿性十分关键。邱博等提出“随流混合+高压复合”技术取代颗粒预处理，高压下金属液与颗粒间润湿性得到改善。
(资料图)
江苏北方轨道交通科技有限公司胡宝军等联合南通大学在2022年第42卷第11期《特种铸造及有色合金》期刊上发表了题为“SiCp/A356铝基复合材料汽车制动盘铸造模拟及分析”的文章。采用搅拌铸造法制备了SiCp/A356复合材料，真空吸铸成形了通风式的新能源汽车制动盘。基于ProCAST数值模拟及缺陷预测，确定良好的浇注工艺参数，铸出品质合格的制动盘。经光学显微镜、电镜、超声探伤分析，发现有颗粒团聚。采用超声施振辅以机械搅拌改进，超声波熔体渗入团簇增强润湿性并促进解聚。提取SiC物相并拟合颗粒正态分布曲线，逐层确认盘体内颗粒弥散分布且无团簇。
【引用格式】
胡宝军,陈世龙,印宇,等.SiCp/A356铝基复合材料汽车制动盘铸造模拟及分析[J].特种铸造及有色合金,2022,42(11):1 375-1 379.
HU B J,CHEN S L,YIN Y,et and analysis of SiCp/A356 aluminum matrix composite automobile brake disc[J].Special Casting & Nonferrous Alloys,2022,42(11):1 375-1 379.
【研究方案】
图1为电动汽车用通风式制动盘。其定位螺栓孔设计在内圈散热筋中心处，采用径向通风结构以加快制动盘周围及内部空气流速，设计铸件的成型工艺。运用ProCAST+Visual-Environment仿真软件对真空吸铸工艺进行模拟。
图1制动盘几何尺寸
通过NX或Proe/Engineer三维制图软件构建浇注系统并形成装配体（见图2）。切取装配体1/12轴对称结构划分网格，分析模型包含了148210个节点，801309个单元。
图２ 汽车制动盘铸造工艺示意图
确定铸造仿真过程热物参数，造型用砂为石英砂，密度为1520 kg·m-3，其他热物参数从材料库提取。充型压力决定致密度，将压力分为抽真空、充型及保压3阶段。浇注温度为675~705℃，上模温度为350~410℃，下模温度为320~380℃，浇口预热温度为420~460℃，通过多次模拟后制定准确的温度参数。在真空吸铸工艺充型中，对复合材料熔体作不可压缩处理，以热平衡方程衡量充型过程熔体与模具间热量交换，浇注过程中流动的熔体应同时遵循连续性方程和N-S方程。凝固时将对流、热辐射及导热结合起来进行计算。因铸件冷凝中受潜热释放影响，满足不稳定导热偏微分方程式。
【研究结果】
ProCAST中建立模型后划分网格，赋予接近AMCs相关物性参数后计算模拟，对比缺陷分析结果与铸件试验分析结果，发现真空吸铸成形的制动盘无明显铸造缺陷。
搅拌铸造法制备的复合材料中存在颗粒团簇，对复合材料进行真空环境下搅拌+超声施振再处理，沿用模拟验证的浇注参数，真空吸铸成形后盘体中小尺寸团簇明显减少。
机械搅拌与超声施振复合作用下，AMCs材料整体致密度进一步得到有效提升。
图3铸件水平、垂直剖面各时刻温度分布云图.
(a1) 水平面(b1) 30 s (c1) 50 s (d1) 80 s (e1) 120 (f1) 190 s
(a2)垂直面 (b2) 30 s (c2) 50 s (d2) 80 s (e2) 120 （f2） 190 s
图4铸造缺陷分布预测结果
图5铸件内部凝固时间分布云图
(a)第一条补缩通道(b)第二条补缩通道
图6第一条补缩通道和第二条补缩通道不同位置点温度变化曲线
综合以上结果，制定合适的温度如下：浇注温度为680 ℃、上模温度为385 ℃、下模温度为340 ℃、浇口预热温度为430℃。并基于凝固时间分布云图，确认合适的充气保压时间为214±8 s，凝固时间为170±8 s，预测铸件可以实现更好的顺序凝固，且盘体内无明显孤立热节、缩孔、缩松缺陷。
图7超声探伤检测制动盘
图8铸件内部线形、圆形缺陷对应超声波检测波形
超声施振与机械搅拌结合下复合材料内颗粒表现出更好的弥散分布状态，超声辅助搅拌铸造法已应用于AMCs试验制备，并通过分析确认其良好的摩擦磨损性能。
图9超声波振动搅拌装置及超声下熔体渗入团聚
图10SiCp/A356复合材料中颗粒尺寸正态分布曲线
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