CN116348234A - 一种复合材料制动盘、其制备方法及搅拌摩擦工具 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种复合材料制动盘、其制备方法及搅拌摩擦工具。复合材料制动盘包括：铝合金基体层、铝基复合层，铝合金基体层和铝基复合层通过冶金结合方式彼此结合，在铝合金基体层和铝基复合层彼此结合的界面处生成过渡层，过渡层中形成有连接铝合金基体层和铝基复合层的强化结构。根据本申请的方案可提高铝基复合层的增强颗粒体积分数，增加耐磨性，避免铝合金基体层再加入陶瓷颗粒，增加铝合金基体层的强度、延伸率，降低失效风险，增加铝合金基体层的热传导能力，将摩擦层产生的热量传递到空气中，降低制动盘整体温升。此外，方案中的铝基复合层起到耐磨层的作用，与铝合金基体层之间通过冶金结合的方式生成过渡层，过渡层可以防止铝基复合层与铝合金基体层之间的陶瓷颗粒体积分数的骤变，从而减少铝基复合层与铝合金基体层之间因冷热疲劳带来的应力差，增大铝基复合层与铝合金基体层之间的结合力，以减少铝基复合层与铝合金基体层之间在冷热疲劳过程中开裂等失效的风险。
Description
本申请涉及制动盘领域，具体而言，涉及一种复合材料制动盘、用于制备铝基复合材料制动盘的制备方法及用于搅拌摩擦加工待焊铝基复合材料的搅拌摩擦工具。
随着环境保护压力的不断增大，节能减排、减少环境污染已成为当今的基本国策。而减轻轨道交通车辆重量，减少因频繁的启动、制动所产生的能源消耗及排放，是实现节能减排最有效的方法之一。目前减轻轨道交通车辆重量的主要途径之一是使用新型轻质材料制动盘替代传统的钢、铁材料制动盘，以减轻运行车辆簧下零部件材料的重量，保持理想的簧上簧下重量比。目前的轻质材料制动盘主要有碳/碳纤维复合材料、陶瓷复合材料和铝基复合材料制动盘等。其中，对陶瓷颗粒增强铝基复合材料制动盘的研究较为广泛。
其中，现有铝基复合材料制动盘主要为陶瓷颗粒增强铝基复合材料制动盘，例如SiC颗粒增强铝基复合材料制动盘，制动盘整体为同一种材料。其主要采用真空搅拌铸造方法进行制备。利用该方法制备的铝基复合材料制动盘及方法本身存在如下技术问题。
第一，提高陶瓷颗粒的加入量虽然可以改善铝基复合材料制动盘的耐磨性，但同时会降低韧性而影响其综合力学性能，同时影响铝基复合材料的成型性能而导致浇注不足或气孔夹渣的缺陷。鉴于上述原因，目前现有技术中采用真空搅拌铸造方法制备的陶瓷颗粒增强铝基复合材料制动盘的陶瓷颗粒加入量约为20％，难以满足耐磨性的要求。
第二，真空搅拌铸造设备对工艺控制水平要求较高，所制备的陶瓷颗粒增强铝基复合材料制动盘容易产生气孔、夹渣及陶瓷颗粒偏析等缺陷。第三，真空搅拌铸造法制备铝基复合材料时，由于使用价格昂贵的真空搅拌制造设备而需要较大的投资。
在此种情形下，一方面，为了解决整体式铝基复合材料制动盘的缺陷，目前制动盘发展的新趋势是采用铝合金制作基体，同时出于提高耐磨性和耐高温性的考虑，在铝合金基体上设置一层耐磨层，耐磨层与铝合金铝合金基体层材 料不相同。如公开号为CN204852099U的中国专利公开了一种汽车制动盘，制动盘本体由铝合金制成，在制动盘本体的工作面上覆盖有一层耐磨层来提高制动盘的耐磨性能。但由于耐磨层的隔热性能有限，频繁制动使得耐磨层温度急剧升高，导致铝合金基体产生膨胀。耐磨层与铝合金基体热膨胀系数的不匹配会影响两者的结合强度，使得耐磨层易脱落，影响列车行驶安全。
另一方面，关于用于制备铝基复合材料的真空搅拌铸造法而言，现有技术中，专利CN1298457C公开了一种真空机械双搅拌铸造方法，铝料化清，降温，除渣；在真空下反向慢速内搅拌完成除气过程，将经过预处理的增强颗粒加入到除渣后的铝液表面，通过内外正方向同时搅拌，将增强颗粒卷入熔体内，停止外搅拌，在保持液面平稳的情况下，高速内搅拌使增强颗粒均匀分布在液体内，升温，然后通过内外反向双搅拌慢速旋转完成除气过程；加入变质剂和细化剂，通过内搅拌慢速旋转使其熔入熔体并均匀分布；卸真空，出炉，浇铸成铸锭。
但该方法中未对增强颗粒的尺寸进行筛选，增强颗粒尺寸的随机性较大，所制备出来的铝基复合材料不适用于刹车制动盘片的加工。这是因为刹车制动盘要求整车刹车制动盘的耐磨性和制动性趋于一致，基于上述方法制备出来的铝基复合材料用于刹车制动盘，则其刹车制动盘的性能不够稳定。
再者，关于此类产品制备过程中涉及的搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，简称FSW)步骤，其是一种新型固相连接技术。其焊接工作原理是高速旋转的搅拌头扎入工件后沿焊接方向运动，在搅拌头与工件接触部位产生摩擦热，使其周围金属形成塑性软化层，软化金属在搅拌头的旋转作用下填充后方空腔并在轴肩与搅拌针的搅拌及挤压作用下实现材料连接。
但目前常用于颗粒增强铝基复合材料搅拌摩擦焊的搅拌摩擦工具主要为整体式搅拌摩擦工具，其搅拌头、连接搅拌头与设备的夹持体均采用硬质合金，价格昂贵；在其他材料摩擦焊接领域，为了减少硬质合金的使用以降低成本，虽已有组合式搅拌摩擦工具，但目前市面上的组合式搅拌摩擦工具存在搅拌头主体部位和夹持体的不同轴的情况，这种情况会导致搅拌头在工作的时候“偏心”，不仅影响质量，还会由于受力不均导致搅拌头断裂。
发明内容
为有效解决或者至少缓解现有的复合材料制动盘及制备过程中存在的部分问题或不足，本发明的主要目的之一在于提供一种复合材料制动盘，既能解 决整体式铝基复合材料制动盘的缺陷问题，又能解决基体与耐磨层的结合力差的问题。本发明的又一主要目的在于提供一种用于制备铝基复合材料制动盘的制备方法。本发明的再一主要目的在于提供一种用于搅拌摩擦加工待焊铝基复合材料的搅拌摩擦工具，以解决现有技术中整体式搅拌摩擦工具价格昂贵或组合式搅拌摩擦工具搅拌头与夹持体不同轴的问题。
根据本申请的一方面，提供一种复合材料制动盘，其包括铝合金基体层、铝基复合层，铝合金基体层和铝基复合层通过冶金结合方式彼此结合，在铝合金基体层和铝基复合层彼此结合的界面处生成过渡层，过渡层中形成有连接铝合金基体层和铝基复合层的强化结构。
根据本申请的另一个方面，提供一种复合材料制动盘，其包括铝合金基体层、铝基复合层，铝合金基体层和铝基复合层通过冶金结合方式彼此结合，在铝合金基体层和铝基复合层彼此结合的界面处生成过渡层，过渡层具有重新构建的金相组织，过渡层的金相组织不同于铝合金基体层的金相组织和铝基复合层的金相组织，以使得铝合金基体层与铝基复合层之间产生结合力。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的复合材料制动盘，强化结构为使得铝合金基体层和铝基复合层彼此相互进入的结构。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的复合材料制动盘，过渡层中具有球状或类球状的硅相。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的复合材料制动盘，硅相长度≤10μm，硅相的球度为20％～100％。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的复合材料制动盘，强化结构形成了铝合金基体层和铝基复合层之间的成分过渡。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的复合材料制动盘，过渡层包括位于铝基复合层一侧的近铝基复合层部分和位于铝合金基体层一侧的近铝合金基体层部分。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的复合材料制动盘，铝基复合层和近铝基复合层部分均具有增强颗粒，增强颗粒百分比从铝基复合层到近铝基复合层部分呈梯度减小。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的复合材料制动盘，铝合金基体层和近铝合金基体层部分均具有增强颗粒，增强颗粒百分比从铝合金基体层到近铝合金基体层部分呈梯度增加。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的复合材料制动盘，冶金结 合方式为搅拌摩擦加工方式。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的复合材料制动盘，铝合金基体层的抗拉强度Rm≥200MPa，断后伸长率A≥2％，硬度≥90HBW。
进一步地，铝基复合层的抗拉强度Rm≥140MPa，断后伸长率A≥0.5％，硬度≥65HBW。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的复合材料制动盘，过渡层的断后伸长率A≥1％。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的复合材料制动盘，过渡层的微观晶粒尺寸比铝合金基体层和铝基复合层的微观晶粒尺寸小。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的复合材料制动盘，增强颗粒为陶瓷颗粒。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的复合材料制动盘，陶瓷颗粒为SiC、TiN或BN的任一种或组合。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的复合材料制动盘，陶瓷颗粒的体积分数为15％～30％。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的复合材料制动盘，陶瓷颗粒的体积分数为20％～30％。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的复合材料制动盘，陶瓷颗粒的大小为10～40μm，正态分布值为10～30μm。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的复合材料制动盘，铝基复合层采用铸造成型或粉末冶金或喷射沉积工艺制备而成。
根据本申请的又一个方面，还提供一种用于制备铝基复合材料制动盘的制备方法，该制备方法包括以下步骤：坯体形成步骤S1：利用铝料形成铝合金基体层；铝基复合层形成步骤S2：利用铝基复合材料形成铝基复合层；叠放步骤S3：将铝基复合层与铝合金基体层叠放，形成复合结构；搅拌摩擦加工步骤S6：对复合结构表面进行搅拌摩擦加工，在铝基复合层与铝合金基体层之间生成过渡层，将铝基复合层与铝合金基体层结合在一起。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的制备方法，在搅拌摩擦加工步骤S6中，将铝合金基体层和铝基复合层中原有的枝晶打碎，得到铝合金基体层和铝基复合层的细化晶粒。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的制备方法，在铝基复合层形成步骤S2中，通过直接打孔方法制备具有多个通孔的铝基复合层。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的制备方法，在铝基复合层形成步骤S2中，在铝基复合层上形成矩阵形状排布方式的多个通孔。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的制备方法，铝基复合层形成步骤S2包括：铝基圆板形成步骤S21：利用铝基复合材料形成圆形铝基复合层的步骤；通孔形成步骤S22：在铝基圆板上开设多个通孔。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的制备方法，在叠放步骤S3之后还包括添加剂添加步骤S4：将增强颗粒添加到多个通孔中。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的制备方法，在添加剂添加步骤S4之后还包括铝板覆盖步骤S5：在铝基复合层上方覆盖一层用于盖住增强颗粒的铝板。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的制备方法，在添加剂添加步骤S4中，增强颗粒为陶瓷颗粒。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的制备方法，陶瓷颗粒为SiC、TiN和BN中的任一种或多种。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的制备方法，搅拌摩擦加工步骤S6包括混合步骤S61和冷却步骤S62，在混合步骤S61中，铝合金基体层和铝基复合层相互接触的部位混合在一起；在冷却步骤S62中，形成具有过渡层的制动盘，过渡层由混合的部分形成。
根据本申请的再一个方面，还提供一种用于制备铝基复合材料制动盘的制备方法，包括以下步骤：铝料融化步骤S2：将铝料完全融化，形成铝液；熔体形成步骤S3：将合金化材料加入铝液中，形成熔体；机械搅拌步骤S4：将熔体进行机械搅拌；增强颗粒加入步骤S5：将增强颗粒加入熔体，进行加速机械搅拌；轧制步骤S6：将熔体在真空条件下轧制成铝基复合层；搅拌摩擦加工步骤S7：将铝基复合层和预先制备好的铝合金基体层进行搅拌摩擦加工，将铝基复合层与铝合金基体层结合在一起。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的制备方法，在增强颗粒加入步骤S5之前包括增强颗粒筛选步骤Z1：筛选增强颗粒。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的制备方法，在增强颗粒筛选步骤Z1中，筛选出粒度大小为10～40μm，正态分布值为10～30μm的增强颗粒。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的制备方法，增强颗粒为SiC颗粒。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的制备方法，在增强颗粒加入步骤S5与增强颗粒筛选步骤Z1之间包括增强颗粒焙烧预处理步骤Z2：将增强颗粒进行焙烧预处理，去除表面杂质和吸附水分。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的制备方法，在增强颗粒焙烧预处理步骤Z2中包括作为增强颗粒的SiC颗粒表面形成一层SiO2氧化膜。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的制备方法，增强颗粒加入步骤S5中，增强颗粒的加入速度为2～5g/s。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的制备方法，在熔体形成步骤S3之前包括变质剂和细化剂称取步骤X1：基于铝料的重量比，称取变质剂和细化剂。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的制备方法，在熔体形成步骤S3与变质剂和细化剂称取步骤X1之间，包括将变质剂和细化剂加入铝液的步骤X3，形成熔体。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的制备方法，在变质剂和细化剂称取步骤X1与将变质剂和细化剂加入铝液的步骤X3之间，包括烘烤步骤X2：将变质剂和细化剂进行烘烤，去除水分。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的制备方法，在铝料融化步骤S2之前包括铝料准备步骤S1：将铝料烘焙，去除水分。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的制备方法，搅拌摩擦加工步骤S6包括混合步骤S61和冷却步骤S62，在混合步骤S61中，铝合金基体层和铝基复合层相互接触的部位充分混合在一起；在冷却步骤S62中，形成具有过渡层的制动盘。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的制备方法，在搅拌摩擦加工步骤S6中，搅拌摩擦加工的搅拌转速为600～1200转/min，进给速度为100～500mm/min。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的制备方法，在增强颗粒焙烧预处理步骤S3中，将焙烧预处理的温度在400～1000℃。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的制备方法，在机械搅拌步骤S4中，将电机的转速控制在500～600转/min。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的制备方法，在搅拌摩擦加工步骤S6中，铝基复合层与铝合金基体层之间生成过渡层。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的制备方法，铝基复合层的 抗拉强度Rm≥140MPa，断后伸长率A≥0.5％，硬度≥65HBW。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的制备方法，过渡层中具有球状或类球状的硅相。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的制备方法，硅相长度≤10μm，所述硅相的球度为20％～100％。
根据本申请的还一个方面，还提供一种用于搅拌摩擦加工待焊铝基复合材料的搅拌摩擦工具，搅拌摩擦工具包括搅拌头和夹持体，搅拌头具有第一圆锥面，夹持体具有第二圆锥面，第一圆锥面和第二圆锥面彼此接触，使搅拌头同轴地安装在夹持体中，搅拌摩擦工具还具有固定结构，将搅拌头和夹持体固定在一起。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的搅拌摩擦工具，搅拌头安装在夹持体中，使得搅拌头径向受力时位置不会改变，受工作时的轴向力时搅拌头与夹持体被牢牢固定住。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的搅拌摩擦工具，第一圆锥面与搅拌头的轴线的夹角α大于0°且小于45°。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的搅拌摩擦工具，第一圆锥面的长度L与搅拌头的轴肩半径D的关系式为：L＝(0.5～1)×D×sinα。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的搅拌摩擦工具，夹持体底部具有至少一个垂直于夹持体的轴线的螺纹孔，搅拌头具有与螺纹孔安装位置相对应的圆锥孔，在螺纹孔中安装有固定螺钉，固定螺钉的顶部定位于圆锥孔中。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的搅拌摩擦工具，搅拌头底部设有半径d小于搅拌头的轴肩半径D的搅拌针，搅拌针的高度h略小于待焊铝基复合材料的厚度δ。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的搅拌摩擦工具，搅拌头具有轴肩高度t，轴肩高度t略小于搅拌头的轴肩半径D。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的搅拌摩擦工具，轴肩高度t与搅拌头的轴肩半径D的关系为：t＝(0.6～0.95)×D。
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的搅拌摩擦工具，搅拌头的轴肩半径D与待焊铝基复合材料的厚度δ的关系式为：
根据本申请又一个实施例或以上任一个实施例的搅拌摩擦工具，搅拌针外表面为第三圆锥面，第三圆锥面具有锥面倾角β，第三圆锥面的长度l满足如下关系式：l＝(0.5～1.5)×[h÷cosβ+(D-d-h×tanβ)×sinβ]。
根据本申请的复合材料制动盘、用于制备铝基复合材料制动盘的制备方法或用于搅拌摩擦加工待焊铝基复合材料的搅拌摩擦工具的技术方案，分别带来至少一部分如下技术效果：
根据本申请的复合材料制动盘及其制备方法可提高铝基复合层的增强颗粒体积分数，增加耐磨性，避免铝合金基体层再加入陶瓷颗粒，增加铝合金基体层的强度、延伸率，降低失效风险，增加铝合金基体层的热传导能力，将摩擦层产生的热量传递到空气中，降低制动盘整体温升。此外，方案中的铝基复合层起到耐磨层的作用，与铝合金基体层之间通过冶金结合的方式生成过渡层，过渡层可以防止铝基复合层与铝合金基体层之间的陶瓷颗粒体积分数的骤变，从而减少铝基复合层与铝合金基体层之间因冷热疲劳带来的应力差，增大铝基复合层与铝合金基体层之间的结合力，以减少铝基复合层与铝合金基体层之间在冷热疲劳过程中开裂等失效的风险。
此外，相对于整体式硬质合金搅拌摩擦工具而言，根据本申请的搅拌摩擦工具的搅拌头采用硬质合金，而夹持体可避免使用价格昂贵的硬质合金，从而既能保证搅拌头寿命及焊缝质量，又能大大降低成本。此外，根据本申请的搅拌摩擦工具具有顶部为圆锥面的搅拌头和内腔为圆锥面的夹持体，采用圆锥面之间的配合可实现自动对准中心的作用，同时采用螺钉固定，从而避免“偏心”问题，保证安装后搅拌头的稳定运行。
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了本发明的铝基复合制动盘结构的示意图；
图2示出了本发明的包含铝基复合层、过渡层和铝合金基体层的制动盘结构的示意图；
图3示出了本发明的铝基复合层、过渡层和铝合金基体层截面结构的示意图；
图4示出了未进行搅拌摩擦加工的铝基复材制动盘的金相组织图；
图5示出了采用搅拌摩擦加工后的铝基复材制动盘的金相组织图；
图6示出了本发明的工艺路线的一个实施例的示意图；
图7示出了本发明的工艺路线的另一个实施例的示意图；
图8示出了本发明的组合结构的示意图；
图9示出了本发明的搅拌头结构的示意图；以及
图10示出了本发明的搅拌头的仰视图。
附图标记：
| 110 | 铝合金基体层 |
| 120 | 铝基复合层 |
| 130 | 过渡层 |
| 210 | 夹持体 |
| 220 | 搅拌头 |
| 230 | 固定结构 |
下文将参照附图中的示例性实施例来详细地描述本申请。但应当知道的是，本申请可通过多种不同的形式来实现，而不应该被理解为限制于本文所阐述的实施例。在此提供这些实施例旨在使得本申请的公开内容更为完整与相近，并将本申请的构思完全传递给本领域技术人员。
此外，对于在本文所提及的实施例中予以描述或隐含的任意单个技术特征，或者被显示或隐含在各附图中的任意单个技术特征，本申请仍然允许在这些技术特征(或其等同物)之间继续进行任意组合或者删减而不存在任何的技术障碍，由此获得可能未在本文中直接提及的本申请的更多其它实施例。
本申请在此结合附图1-10来示例性地描述本发明的各个实施例。
请参阅图1至2，本发明的复合材料制动盘由两种不同材料的铝合金基体层110和铝基复合层120通过搅拌摩擦加工方式制备而成。其中，铝合金基体层110是铝硅合金或铝硅铜合金，主要起承载作用。铝硅合金或铝硅铜合金可以为亚共晶合金或共晶合金或过共晶合金。本实施例中，在铝合金基体层110中还加入少量陶瓷颗粒，可以提高其力学性能、抗冲击性能和耐高温性能。
铝基复合层120是含有陶瓷颗粒的铝基复合材料，因其具有良好的摩擦磨损性能，起到提供摩擦制动力的作用。铝基复合层120采用铸造成型或粉末冶 金或喷射沉积工艺制备而成。铝基复合材料是指在铝铜或铝硅或铝镁合金中添加SiC或TiN或BN等陶瓷颗粒。优选地，在铝基复合材料中添加銥、锆、镧、铈任一种或多种合金元素制备铝基复合层120，可以提高铝基复合层120的性能。在铝基复合层120上的通孔中添加上述陶瓷颗粒，在添加有陶瓷颗粒的铝基复合层120上方覆盖一层铝板，通过搅拌摩擦加工可以使通孔中的陶瓷颗粒向周向铝基复合材料中进入，相对于现有技术的真空搅拌铸造，陶瓷颗粒在铝基复合材料中的分布更加均匀。这是因为，真空搅拌铸造时，陶瓷颗粒容易产生团聚，而形成偏析等缺陷。本实施例中，本发明所制备的复合制动盘中，铝基复合层120的陶瓷颗粒体积分数在15％～30％之间。优选地，铝基复合材料的陶瓷颗粒体积分数在20％～30％之间。陶瓷颗粒的大小为10～40μm，正态分布值为10～30μm。铝基复合层120的厚度为3～10mm。
该发明的复合材料制动盘一方面可提高铝基复合层120的增强颗粒体积分数，增加耐磨性，避免铝合金基体层110再加入陶瓷颗粒，增加铝合金基体层110的强度、延伸率，降低失效风险，增加铝合金基体层110的热传导能力，将摩擦层产生的热量传递到空气中，降低制动盘整体温升；另一方面，增强颗粒在铝基复合层120的分布更加均匀。
铝基复合层120与铝合金基体层110之间通过冶金结合方式彼此结合，相互深入，在铝基复合层120与铝合金基体层110之间生成过渡层130。宏观上，过渡层130由铝基复合层120和铝合金基体层110组成。在复合材料制动盘的横截面界面图中，如图2和图3所示，过渡层130包括强化结构，可以增加铝基复合层120与铝合金基体层110之间的结合力。强化结构指搅拌摩擦加工后，铝基复合层120与铝合金基体层110相互进入的边界面，在图2和图3中，为两种材料的边界线。其中，图2是本发明所制备的铝基复合层120、过渡层130和铝合金基体层110结构的示意图；图3示出了本发明的铝基复合层120、过渡层130和铝合金基体层110截面图的示意图。这种强化结构为非平面结构。这种非平面结构为不规则形状结构。优选地，这种不规则形状结构为锯齿和/或倒梯形和/或正梯形结构。强化结构实现制动盘强化铝合金基体层110和铝基复合层120之间的成分过渡。强化结构包括第一加强部分和第二加强部分两部分。第一加强部分是指向铝基复合层120深入的结构，在图3中，呈现类凸形形状。从铝合金基体层110到第一加强部分，铝合金基体层110材料成分及SiC颗粒呈梯度增加。从第一加强部分到铝基复合层120，铝基复合层120材料成分及SiC颗粒呈梯度增加。第二加强部分是指向铝合金基体层110深入的 结构，在图3中，呈现类凹形形状。从铝基复合层120到第二加强结构，铝基复合材料成分及SiC颗粒呈梯度减小。从第二加强部分到铝合金基体层110，铝合金基体层110材料成分呈梯度增加、SiC颗粒呈梯度减小。第一加强结构的顶点与第二加强结构的顶点之间的距离为过渡层130的厚度。过渡层130厚度为1～5mm。过渡层130的延伸率为A≥1％。从微观结构来看，过渡层130的微观晶体尺寸比铝合金基体层110和铝基复合层120的微观晶体颗粒尺寸小。过渡层130的微观晶体颗粒长度≤10μm。
通过对比图4和图5可知，未进行搅拌铸造的复合材料制动盘的金相组织颗粒较大，如图4；通过搅拌铸造加工的复合材料制动盘的金相组织颗粒更小，如图5。
如下将结合图6进一步地阐述用于制备前述任意实施例或其组合中的复合材料制动盘的制备方法。该实施例中的制备方法可包括如下步骤：
S1：采用铝硅合金或铝硅铜合金作为基体合金，通过铸造成型工艺形成铝合金基体层的步骤。首先，采用铝硅合金或铝硅铜合金或含有少量陶瓷颗粒的铝硅(铜)合金作为基体合金形成铝锭，根据铝锭的重量计算称取铝锶合金变质剂和铝钛硼细化剂。随后，将铝锭、铝锶合金变质剂、铝钛硼细化剂放入烘箱中进行烘烤，以去除水分。将烘干后的铝锭加热至700～800℃，待铝锭完全融化时，向铝锭中加入铝锶合金变质剂、精炼剂和铝钛硼细化剂，同时对融化的铝液通入氩气以进行除气处理，除气时间为30～50分钟。将铝液的温度控制在700～720℃，使用专用的制动盘金属型模具，采用低压浇注进行铝合金基体层的浇注，浇注过程包括升液、充型、结壳、保压和卸压。最后开模，取出铝合金铝合金基体层铸件。按照制动盘盘面轮廓尺寸将铝合金基体层进行初加工，制得铝合金铝合金基体层。
制动盘的主体部分为铝合金基体层，对强度要求较高。本实施例制备的铝合金基体层通过在铝液中加入细化剂、精炼剂和变质剂使形成的铝锭组织更加均匀，有足够的强度，可以减少在使用过程中的变形、裂纹等失效风险。本实施例制得的铝合金基体层的性能如下：Rm≥230MPa，延伸率≥2，硬度≥90HB。
S2：利用铝基复合材料形成铝基复合层的步骤，包括铝基圆板形成步骤S21和通孔形成步骤S22。
铝基圆板形成步骤S21中，首先，按铝料的重量比称取变质剂和细化剂的质量。将增强颗粒过筛，除去团聚的颗粒团及其它杂质，将增强颗粒置入烘箱中焙烧预处理，温度在200～500℃，以除去表面杂质和吸附水分。本实施例 中，增强颗粒是指SiC、TiN或BN等陶瓷颗粒。将铝锭、变质剂、细化剂放入烘箱中烘烤，以去除水分。将铝锭加热至650～800℃，待铝锭完全融化，加入合金化材料、变质剂，精炼剂，同时对铝液通入氩气进行除气处理，除气时间为30～50分钟。将铝液的温度控制在600～800℃，轧制成板材。
通孔形成步骤S22中，通过冲压将铝基复合层冲成外径600～800mm，内径250～350mm的圆形铝基复合层，圆形铝基复合层上分布着直径5～7mm的多个通孔，上述通孔布满整个圆盘，多个通孔在铝基复合层上以矩阵形状排布。本实施例中所制备的铝基复合层的厚度为3～7mm。铝基复合层的性能如下：Rm≥200MPa，延伸率≥0.5，硬度≥80HB。
S3：将铝基复合层叠放在铝合金基体层上方形成叠放的复合结构。首先，将铝合金基体层固定在搅拌摩擦的工作台上，将铝基复合层叠放在铝合金基体层上方，形成复合结构。该复合结构中，铝基复合层下方有铝合金基体层，因此，铝基复合层的通孔底部被铝合金基体层封住，从而形成了底部封闭的矩阵形状的通孔。
S4：称取SiC颗粒作为增强颗粒，并事先进行高温烘烤，去除表面杂质。在高温烘烤的过程中，SiC颗粒表面会形成一层SiO2氧化膜，可以提高SiC颗粒与铝合金基体层的接触润湿性。将称好的SiC颗粒添加到铝基复合层材上的矩阵通孔内，将通孔填满增强颗粒。
S5：通孔填满增强颗粒后，在铝基复合层上方覆盖一层用于盖住增强颗粒的铝板。铝板的厚度为0.5～1mm。该铝板一方面可以盖住SiC颗粒，防止在后续搅拌摩擦加工过程中SiC颗粒的飞溅；另一方面在后续搅拌摩擦加工过程中与铝基复合层冶金结合在一起，可以提高铝基复合层的韧性；同时，可以减少搅拌头和SiC颗粒之间的直接接触，减少搅拌头底部搅拌针的磨损。
S6：在铝合金基体层和铝基复合层的复合结构表面进行搅拌摩擦加工，该表面是指铝基复合层的上表面，在有盖住增强颗粒的铝板时，该表面为盖住铝板的上表面，而不是与铝合金基体层接触的下表面。搅拌摩擦加工具体包括两部分，混合步骤S61及混合步骤之后的冷却步骤S62。
混合步骤S61是指使铝合金基体层和铝基复合层相互接触的部位混合生成过渡层130的步骤具体是指使铝合金基体层110和铝基复合层120相互接触的部位充分混合的步骤。在搅拌摩擦加工过程中，铝合金基体层110和铝基复合层120相接触的界面部位相互进入，并充分混合，过渡层130由充分混合的部分形成。冷却步骤S62是指铝合金基体层和铝基复合层相互接触的部位混合 后，进行冷却的步骤，由此可在过渡层130中形成连接铝合金基体层和铝基铝基复合层120的强化结构。在冷却步骤过程中，铝合金基体层和铝基复合层之间形成过渡层130，获得具有过渡层130的铝基复合材料制动盘，过渡层130由混合的部分形成。在步骤S61中，铝合金基体层和铝基铝基复合层120相接触的界面部分相互进入并充分混合的过程中，其相接触的界面发生变形，随着冷却步骤的进行，逐渐形成强化结构。步骤S61和步骤S62的过程有部分重叠，即过渡层130的形成过程与强化结构的形成过程有所交叉，部分同时进行。
搅拌摩擦加工过程中，搅拌摩擦加工的搅拌转速为600-1200转/min，进给速度为100-500mm/min。搅拌摩擦加工工具包括搅拌头，利用搅拌头进行高速旋转将铝基复合层表面加热至塑性状态，并将小孔内的SiC颗粒挤压带入铝基复合层内部。同时，铝基复合层和铝合金基体层之间在搅拌摩擦加工过程中生成过渡层130，可以将铝合金基体层和铝基复合层结合在一起。这种结合方式为冶金结合方式。在搅拌摩擦加工过程中，铝合金基体层和铝基复合层接触面附近的原有枝晶被打碎，得到晶粒尺寸更细小更均匀的组织。因此，铝合金基体层和铝基复合层之间的结合力得到加强。
S7：将步骤6制得的铝基复合材料制动盘表面的坯缝加工去除，完成铝基复合材料制动盘基准面的加工。
采用本发明的制备方法制备的铝基复合材料制动盘，与现有技术中整体式制动盘相比，区别在于，本发明的制备方法制备的铝基复合材料制动盘由不同材料组成。整体式制动盘是指整个制动盘为同一种铝基复合材料的铝基复合材料制动盘。现有技术中，整体式铝基复合材料制动盘主要采用真空搅拌铸造法制备，其整体采用同一种陶瓷颗粒增强铝基复合材料。由于陶瓷颗粒硬度较高，增加陶瓷颗粒的加入量虽然可以加强制动盘的耐磨性，但同时会降低制动盘的韧性，从而降低制动盘的整体力学性能。因此，现有技术中，陶瓷颗粒的加入量通常约在20％左右，超过20％则含陶瓷颗粒的铝基复合材料制动盘具有较差的综合力学性能。另外，真空搅拌铸造设备较为昂贵，因此，通过搅拌铸造工艺制备铝基复合材料制动盘成本较高。
如下将结合图7进一步地阐述用于制备前述任意实施例或其组合中的复合材料制动盘的制备方法。该实施例中的制备方法可包括如下步骤：
S1：准备铝料的步骤。采用铝基复合材料作为原材料。本实施例中，铝基复合材料是指在铝铜或铝硅或铝镁合金中添加SiC或TiN或BN等陶瓷颗粒的铝基复合材料。首先准备铝料。
X1：变质剂和细化剂称取的步骤。按照铝料的重量比称取变质剂和细化剂的质量。
X2：烘烤的步骤。将称取好的铝料、变质剂和细化剂放入烘箱中烘烤，以去除水分。
Z1：增强颗粒筛选的步骤。将增强颗粒过筛，除去团聚的颗粒团及其它杂质，筛选出SiC颗粒粒度大小为10～40μm，正态分布值为10～30μm内呈正态分布的增强颗粒。
Z2：将增强颗粒进行焙烧预处理的步骤。将过筛后的增强颗粒放置入烘箱中进行焙烧预处理，温度在300～400℃，以除去表面杂质和吸附水分。同时使SiC颗粒表面形成一层SiO2氧化膜，提高SiC颗粒与铝基体的接触润湿性。
S2：铝料融化的步骤。将烘烤后的铝料在真空环境下加热，至700℃～800℃，使铝液完全融化。
X2：将变质剂和细化剂加入铝液的步骤。待铝料在高温下全部融化后，将烘烤后除去水分的变质剂和细化剂以及合金化材料加入完全融化的铝液中。
S3：加入合金化材料、变质剂和细化剂的完全融化的铝液形成逐渐形成熔体。在加入合金化材料、变质剂和细化剂的同时对铝液通入氩气除气精炼，除去熔体内的水汽及夹杂，使熔体得到有效的净化，除气精炼时间为15-30分钟。
S4：除气完成，开始对熔体进行机械搅拌，电机的转速在500-600转每分。
S5：加入增强颗粒的步骤。在对熔体进行机械搅拌的同时，向熔体内匀速加入经过预处理的SiC颗粒，SiC颗粒的加入速度为2-5g/s，待SiC粉末的完全加入后将电机的转速调整至800转/min，将熔体内SiC颗粒进行搅拌均匀化。
S6：待SiC颗粒充分散开，在熔体内呈弥散均匀分布时，将熔体的温度控制700-720℃，在真空的条件下轧制成板材，从而制得具有SiC颗粒增强的铝基复合材料板材。本发明所制得的铝基铝基复合层120板材的性能如下：Rm≥200MPa，延伸率≥0.5，硬度≥80HB。
S7：将铝基复合层和预先制备好的铝合金基体层进行搅拌摩擦加工的步骤，将铝基复合层与铝合金基体层结合在一起。在铝合金基体层和铝基复合层的复合结构表面进行搅拌摩擦加工，该表面是指铝基复合层的上表面，而不是与铝合金基体层接触的下表面。搅拌摩擦加工具体包括两部分，混合步骤S71及混合步骤之后的冷却步骤S72。
与前述方法实施例中类似，混合步骤S71是指使铝合金基体层和铝基复合 层相互接触的部位混合的步骤，冷却步骤S72是指铝合金基体层和铝基复合层相互接触的部位混合后，进行冷却的步骤，在冷却步骤过程中，铝合金基体层和铝基复合层之间形成过渡层130，获得具有过渡层130的铝基复合材料制动盘，过渡层130由混合的部分形成。
搅拌摩擦加工过程中，搅拌摩擦加工的搅拌转速为600-1200转/min，进给速度为100-500mm/min。搅拌摩擦加工工具包括搅拌头，利用搅拌头进行高速旋转将铝基复合层表面加热至塑性状态，并将小孔内的SiC颗粒挤压带入铝基复合层内部。同时，铝基复合层和铝合金基体层之间在搅拌摩擦加工过程中生成过渡层130，可以将铝合金基体层和铝基复合层结合在一起。这种结合方式为冶金结合方式。在搅拌摩擦加工过程中，铝合金基体层和铝基复合层接触面附近的原有枝晶被打碎，得到晶粒尺寸更细小更均匀的组织。因此，铝合金基体层和铝基复合层之间的结合力得到加强。
S8：将步骤S7制得的制动盘表面的坯缝加工去除，完成制动盘基准面的加工。
本发明的预先制备好的铝合金基体层的制备步骤类似于前述另一方法实施例中的步骤S1，具体为：
采用铝硅合金或铝硅铜合金作为基体合金，通过铸造成型工艺形成铝合金基体层的步骤。首先，采用铝硅合金或铝硅铜合金或含有少量陶瓷颗粒的铝硅(铜)合金作为基体合金形成铝锭，根据铝锭的重量计算称取铝锶合金变质剂和铝钛硼细化剂。随后，将铝锭、铝锶合金变质剂、铝钛硼细化剂放入烘箱中进行烘烤，以去除水分。将烘干后的铝锭加热至700～800℃，待铝锭完全融化时，向铝锭中加入铝锶合金变质剂、精炼剂和铝钛硼细化剂，同时对融化的铝液通入氩气以进行除气处理，除气时间为30～50分钟。将铝液的温度控制在700～720℃，使用专用的制动盘金属型模具，采用低压浇注进行铝合金基体层的浇注，浇注过程包括升液、充型、结壳、保压和卸压。最后开模，取出铝合金铝合金基体层铸件。按照制动盘盘面轮廓尺寸将铝合金基体层110进行初加工，制得铝合金基体层。
制动盘的主体部分为铝合金基体层，对强度要求较高。该方法制备的铝合金基体层通过在铝液中加入细化剂、精炼剂和变质剂使形成的铝锭组织更加均匀，有足够的强度，可以减少在使用过程中的变形、裂纹等失效风险。该方法所制得的铝合金基体层的性能如下：Rm≥230MPa，延伸率≥2，硬度≥90HB。
采用上述方法制备的制动盘，由两种不同材料的铝合金基体层和铝基铝基 复合层120板材通过搅拌摩擦加工制备而成。搅拌摩擦加工可以改善本发明所制备的铝基铝基复合层120板材内部的气孔、夹渣等缺陷，可以提高铝基铝基复合层120板材的力学性能，从而提高制动盘的整体力学性能。
根据以上描述，可知本发明的前述复合材料制动盘及其制备方法的实施例实现了如下技术效果：
1、该发明的复合材料制动盘可提高铝基复合层的增强颗粒体积分数，增加耐磨性，避免铝合金基体层再加入陶瓷颗粒，增加铝合金基体层的强度、延伸率，降低失效风险，增加铝合金基体层的热传导能力，将摩擦层产生的热量传递到空气中，降低制动盘整体温升。
2、现有技术中，真空搅拌铸造制备的铝基复合材料制动盘，整体采用同一种陶瓷颗粒增强铝基复合材料，在制备过程中，陶瓷颗粒在铝基复合材料内部容易产生偏析缺陷，从而导致制动盘的力学性能不佳；相对于上述现有技术，本发明提供的制备方法制备的铝基复合材料制动盘陶瓷颗粒相较于其分布更均匀，所制得的铝基复合材料制动盘具有良好的耐磨性和韧性。
3、现有技术中，真空搅拌铸造制备的铝基复合材料制动盘中，陶瓷颗粒的加入量收到一定限制，这是因为陶瓷颗粒的加入会提高耐磨性但同时会降低韧性。因此，现有技术制备的铝基复合材料制动盘中陶瓷颗粒加入量约为20％，以保证其具有耐磨性的同时韧性不会过低。相对于现有技术，本发明制得的铝基复合材料制动盘内部组织更加均匀，在陶瓷颗粒加入量超过20％时，仍能有良好的韧性，同时能够提高耐磨性，铝基复合材料制动盘的整体力学性能更好。
4、相对于现有真空搅拌铸造法容易产生气孔、夹杂等缺陷，本发明提供的制备方法制备的铝基复合材料制动盘组织更均匀，缺陷较少，从而相对于现有技术的铝基复合材料制动盘具有更优的力学性能。
5、现有技术中，铝合金基体层与耐磨层通过机械结合方式连接在一起，其结合力较差；本发明的复合材料制动盘的铝基复合层起到耐磨层的作用，与铝合金基体层之间通过冶金结合的方式生成过渡层，过渡层可以防止铝基复合层与铝合金基体层之间的陶瓷颗粒体积分数的骤变，从而减少铝基复合层与铝合金基体层之间因冷热疲劳带来的应力差，增大铝基复合层与铝合金基体层之间的结合力，以减少铝基复合层与铝合金基体层之间在冷热疲劳过程中开裂等失效的风险。
6、相对于现有技术，未采用价格昂贵的真空搅拌铸造设备，大大降低生 产成本。
7、现有技术中，真空搅拌铸造工艺需在高温下进行，操作人员在操作时可能存在烫伤等操作安全性风险，而本发明的搅拌摩擦加工工艺在常温下即可进行，在简化工艺的同时保证了工艺操作的安全性。
8、本发明的制备方法可提高铝基复合材料表面陶瓷颗粒分数，增加耐磨性，相比真空搅拌铸造，制动盘基体无陶瓷颗粒加入，可以有效提升基体的延伸率等综合力学性能，降低失效风险，增加制动盘热扩散系数，能将摩擦层产生的热量传递出去，降低制动盘温升。
9、本发明的制备方法中，制备的铝基复合层材专门用于刹车制动盘的制备，相对于现有技术中，本发明对增强颗粒的尺寸进行了筛选，且增强颗粒呈正态分布，大颗粒有利于提升刹车制动盘的制动性能；小颗粒可以提高制动盘的耐磨性能，从而提高刹车制动盘的整体力学性能。
10、本发明的制备方法中，在制备铝基复合层材过程中，采用焙烧预处理对增强颗粒进行处理，可形成一层SiO2氧化膜，以增加增强颗粒与铝基复合材料之间的润湿性，提高复合材料的性能，从而满足该铝基铝基复合层板材用于刹车制动盘的要求。
此外，还如下还将结合图8至图10来进一步地阐述用于执行前述任意实施例或其组合中的复合材料制动盘的制备方法中的搅拌摩擦加工步骤的工具。具体而言，此类工具可以是组合式搅拌摩擦工具，其具有夹持体210和装在夹持体210上的搅拌头220，夹持体210和搅拌头220可实现分离。本实施例中，夹持体210用于夹持住搅拌头220，可进行高速旋转以实现对待焊铝基复合材料进行搅拌摩擦加工。本实施例的搅拌摩擦工具工作时，搅拌头220的旋转速度为600-1200转/min，进给速度为100-300mm/min。为了节省成本，区别于现有整体式搅拌摩擦工具整体采用价格较为昂贵的硬质合金，夹持体210采用价格较为便宜的工具钢，在本实施例中为H13工具钢，搅拌头220仍采用硬质合金，本实施例中为YG16硬质合金。这样既通过采用H13工具钢代替硬质合金作为夹持体210而大大降低了成本，又通过采用YG16硬质合金作为搅拌头220，保证了搅拌头寿命及焊缝质量。本发明的用于搅拌摩擦加工待焊铝基复合材料的搅拌摩擦工具还包括固定结构230，用于径向作用固定夹持体210与搅拌头220，两个固定结构230通过径向卡紧夹持体210与搅拌头220从而起到固定夹持体210与搅拌头220不发生分离的作用。本实施例中，固定结构230为固定螺钉。
搅拌头220具有第一圆锥面，第一圆锥面与夹持体210接触，夹持体210具有相对应的第二圆锥面，第一圆锥面和第二圆锥面斜度一致，彼此接触并可以紧紧地贴合在一起。第一圆锥面的轴心与第二圆锥面的轴心重合，且第一圆锥面的中轴线、第二圆锥面的中轴线、夹持体210的中轴线及搅拌头220的中轴线重合。因此，在安装搅拌头220和搅拌摩擦工具工作时，因为受到垂直力的作用，夹持体210可以通过第一圆锥面和第二圆锥面的贴合，实现与搅拌头220的中轴线重合，从而实现搅拌头220在夹持体210上的自定位。为了固定夹持体210和搅拌头220，固定结构230通过径向作用进行卡紧。本实施例中，首先在搅拌头220的第一圆锥面上开设圆锥孔，圆锥孔进入部分搅拌头220，离搅拌头220中轴线仍有一定距离，在夹持体210与其对应的位置开设螺纹孔，螺纹孔的中轴线与圆锥孔的中轴线重合。且圆锥孔直径与螺纹孔直径相同。将固定结构230从夹持体210上水平方向拧入搅拌头220的圆锥孔，固定结构230的端部为圆锥面，与搅拌头220的圆锥孔的圆锥面的斜度一致，可实现与其紧密贴合。固定结构230的顶部与圆锥孔顶部贴合。在固定结构230拧入搅拌头220的第一圆锥面的过程中，搅拌头220同时受到径向和轴向上的力。两个固定结构230在同一水平线上，且其顶部相对。当搅拌头220在高速旋转工作时，因在径向上受力而不会发生位置改变，而因在轴向上受力而与夹持体210牢牢固定，保证了搅拌头220与夹持体210安装的准确与稳定性。
本发明的搅拌头220形状为类蘑菇状，其与夹持体210接触的面为第一圆锥面，本实施例中第一圆锥面的长度为L。第一圆锥面与搅拌头220的轴线的夹角为α。搅拌头的正视图如图2所示。在图2中，搅拌头220具有底面为圆形的类圆柱形的搅拌针，搅拌针底部平面中轴线顶点分别为A和B，A和B的距离为搅拌针底部平面的直径，为2d，搅拌针底部平面的半径为d。搅拌针具有类蘑菇头状轴肩，在图2中，轴肩底面的中轴线顶点为E和F，E和F的距离为轴肩直径，为2D，轴肩半径为D。轴肩顶点E到搅拌针底部平面的距离为h。轴肩与搅拌头220的第一圆锥面相交，形成轴肩，在图2中，GE即为轴肩。另外，本实施例中，搅拌针外表面为第三圆锥面，第三圆锥面与搅拌头轴线的倾角为β，在图2中，第三圆锥面长度为BC，BC为l。搅拌头220的中轴线上与搅拌针的中轴线重合，AB的中点O在上述中轴线上，以O点为原点建立坐标轴，横坐标为x轴，纵坐标为y轴。
实施例1-10：
具体实施情况如表1所示。
表1
通过上述数据可知，搅拌头220的相关数据尺寸满足如下关系：
L＝(0.5～1)×D×sinα；
h＝δ-0.2；
d＝(0.25～0.45)D
t＝(0.6～0.95)×D；
l＝(0.5～1.5)×[h÷cosβ+(D-d-h×tanβ)×sinβ]；
C点的坐标方程为：
根据以上描述，可知本发明的前述搅拌摩擦工具的实施例实现了如下技术效果：
1、相对于整体式硬质合金搅拌摩擦工具，本发明提供的组合式搅拌摩擦工具的搅拌头采用硬质合金，而夹持体可避免使用价格昂贵的硬质合金，从而既能保证搅拌头寿命及焊缝质量，又能大大降低成本。
2、本发明提供的搅拌摩擦工具具有顶部为圆锥面的搅拌头和内腔为圆锥面的夹持体，采用圆锥面之间的配合可实现自动对准中心的作用，同时采用螺钉固定，从而避免“偏心”问题，保证安装后搅拌头的稳定运行。
以上例子主要说明了本发明实施例的复合材料制动盘、其制备方法及搅拌摩擦工具。尽管只对其中一些本发明的实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。
Claims (52)
- 一种复合材料制动盘，其特征在于，所述制动盘包括：铝合金基体层与铝基复合层；其中，所述铝合金基体层和所述铝基复合层通过冶金结合方式彼此结合形成过渡层；所述过渡层包括形成在所述铝合金基体层和所述铝基复合层彼此结合的边界面上的强化结构。
- 根据权利要求1所述的复合材料制动盘，其特征在于，所述过渡层具有重新构建的金相组织；其中，所述过渡层的金相组织不同于所述铝合金基体层的金相组织和所述铝基复合层的金相组织，以使得所述铝合金基体层与所述铝基复合层之间产生结合力。
- 根据权利要求1或2所述的复合材料制动盘，其特征在于，所述强化结构包括在所述铝合金基体层和所述铝基复合层的彼此结合的边界面上使所述铝合金基体层和所述铝基复合层彼此相互进入的结构。
- 根据权利要求1或2所述的复合材料制动盘，其特征在于，所述过渡层中具有球状或类球状的硅相。
- 根据权利要求4所述的复合材料制动盘，其特征在于，所述硅相长度≤10μm，所述硅相的球度为20％～100％。
- 根据权利要求1或2所述的复合材料制动盘，其特征在于，所述强化结构形成所述铝合金基体层和所述铝基复合层之间的成分过渡。
- 根据权利要求1或2所述的复合材料制动盘，其特征在于，所述过渡层包括位于所述铝基复合层一侧的近铝基复合层部分和位于所述铝合金基体层一侧的近铝合金基体层部分。
- 根据权利要求7所述的复合材料制动盘，其特征在于，所述铝基复合层和所述近铝基复合层部分均具有增强颗粒，所述增强颗粒的百分比从所述铝基复合层到所述近铝基复合层部分呈梯度减小；和/或所述铝合金基体层和所述近铝合金基体层部分均具有增强颗粒，所述增强颗粒的百分比从所述铝合金基体层到所述近铝合金基体层部分呈梯度增加。
- 根据权利要求1或2所述的复合材料制动盘，其特征在于，所述铝合金基体层的抗拉强度Rm≥200MPa，断后伸长率A≥2％，硬度≥90HBW。
- 根据权利要求1或2所述的复合材料制动盘，其特征在于，所述铝基复合层的抗拉强度Rm≥140MPa，断后伸长率A≥0.5％，硬度≥65HBW。
- 根据权利要求1或2所述的复合材料制动盘，其特征在于，所述过渡层的断后伸长率A≥1％。
- 根据权利要求1或2所述的复合材料制动盘，其特征在于，所述过渡层的微观晶粒尺寸比所述铝合金基体层和所述铝基复合层的微观晶粒尺寸小。
- 根据权利要求8所述的复合材料制动盘，其特征在于，所述增强颗粒为陶瓷颗粒，其中，所述陶瓷颗粒的体积分数为15％～30％。
- 根据权利要求13所述的复合材料制动盘，其特征在于，所述陶瓷颗粒的体积分数为20％～30％。
- 根据权利要求13所述的复合材料制动盘，其特征在于，所述陶瓷颗粒的大小为10～40μm，正态分布值为10～30μm。
- 根据权利要求1或2所述的复合材料制动盘，其特征在于，所述铝基复合层采用铸造成型或粉末冶金或喷射沉积工艺制备而成。
- 一种用于制备铝基复合材料制动盘的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：坯体形成步骤S1：利用铝料形成铝合金基体层；铝基复合层形成步骤S2：利用铝基复合材料形成铝基复合层；叠放步骤S3：将所述铝基复合层与所述铝合金基体层叠放，形成复合结构；搅拌摩擦加工步骤S6：对所述复合结构表面进行搅拌摩擦加工，使得所述铝基复合层与所述铝合金基体层彼此结合形成过渡层。
- 根据权利要求17所述的用于制备铝基复合材料制动盘的制备方法，其特征在于，在所述搅拌摩擦加工步骤S6中，将所述铝合金基体层和所述铝基复合层中原有的枝晶打碎，得到所述铝合金基体层和所述铝基复合层的细化晶粒。
- 根据权利要求17所述的用于制备铝基复合材料制动盘的制备方法，其特征在于，在所述铝基复合层形成步骤S2中，通过直接打孔方法制备具有多个通孔的所述铝基复合层；或者，在所述铝基复合层形成步骤S2中，在所述铝基复合层上形成矩阵形状排布方式的多个通孔。
- 根据权利要求19所述的用于制备铝基复合材料制动盘的制备方法，其特征在于，所述铝基复合层形成步骤S2包括：铝基圆板形成步骤S21：利用铝基复合材料形成圆形铝基复合层的步 骤；通孔形成步骤S22：在所述圆形铝基复合层上开设所述通孔。
- 根据权利要求20所述的用于制备铝基复合材料制动盘的制备方法，其特征在于，在所述叠放步骤S3之后还包括添加剂添加步骤S4：将增强颗粒添加到所述通孔中。
- 根据权利要求21所述的用于制备铝基复合材料制动盘的制备方法，其特征在于，在所述添加剂添加步骤S4之后还包括铝板覆盖步骤S5：在所述铝基复合层上覆盖一层用于盖住所述增强颗粒的铝板。
- 根据权利要求17-22中任一权利要求所述的用于制备铝基复合材料制动盘的制备方法，其特征在于，所述搅拌摩擦加工步骤S6包括混合步骤S61和冷却步骤S62，在所述混合步骤S61中，所述铝合金基体层和所述铝基复合层相互接触的部位混合在一起；在所述冷却步骤S62中，形成具有过渡层的制动盘，所述过渡层由所述混合的部分形成。
- 一种用于制备铝基复合材料制动盘的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：铝料融化步骤S2：将所述铝料完全融化，形成铝液；熔体形成步骤S3：将合金化材料加入所述铝液中，形成熔体；机械搅拌步骤S4：将所述熔体进行机械搅拌；增强颗粒加入步骤S5：将增强颗粒加入所述熔体，进行加速机械搅拌；轧制步骤S6：将所述熔体在真空条件下轧制成铝基复合层；搅拌摩擦加工步骤S7：将所述铝基复合层和预先制备好的铝合金基体层进行搅拌摩擦加工，将所述铝基复合层与所述铝合金基体层结合在一起。
- 根据权利要求24所述的用于制备铝基复合材料制动盘的制备方法，其特征在于，在所述增强颗粒加入步骤S5之前包括增强颗粒筛选步骤Z1：筛选增强颗粒。
- 根据权利要求25所述的用于制备铝基复合材料制动盘的制备方法，其特征在于，在所述增强颗粒筛选步骤Z1中，筛选出粒度大小为10～40μm，正态分布值为10～30μm的增强颗粒。
- 根据权利要求25所述的用于制备铝基复合材料制动盘的制备方法，其特征在于，所述增强颗粒为SiC颗粒。
- 根据权利要求27所述的用于制备铝基复合材料制动盘的制备方 法，其特征在于，在所述增强颗粒加入步骤S5与所述增强颗粒筛选步骤Z1之间包括增强颗粒焙烧预处理步骤Z2：将增强颗粒进行焙烧预处理，去除表面杂质和吸附水分。
- 根据权利要求28所述的用于制备铝基复合材料制动盘的制备方法，其特征在于，在增强颗粒焙烧预处理步骤Z2中包括作为所述增强颗粒的SiC颗粒表面形成一层SiO2氧化膜。
- 根据权利要求28所述的用于制备铝基复合材料制动盘的制备方法，其特征在于，所述增强颗粒加入步骤S5中，所述增强颗粒的加入速度为2～5g/s。
- 根据权利要求25所述的用于制备铝基复合材料制动盘的制备方法，其特征在于，在所述熔体形成步骤S3之前包括变质剂和细化剂称取步骤X1：基于所述铝料的重量比，称取变质剂和细化剂。
- 根据权利要求31所述的用于制备铝基复合材料制动盘的制备方法，其特征在于，在所述熔体形成步骤S3与变质剂和细化剂称取步骤X1之间，包括将所述变质剂和所述细化剂加入所述铝液的步骤X3，形成所述熔体。
- 根据权利要求32所述的用于制备铝基复合材料制动盘的制备方法，其特征在于，在所述变质剂和细化剂称取步骤X1与将所述变质剂和所述细化剂加入所述铝液的步骤X3之间，包括烘烤步骤X2：将所述变质剂和所述细化剂进行烘烤，去除水分。
- 根据权利要求24所述的用于制备铝基复合材料制动盘的制备方法，其特征在于，在所述铝料融化步骤S2之前包括铝料准备步骤S1：将铝料烘焙，去除水分。
- 根据权利要求26所述的用于制备铝基复合材料制动盘的制备方法，其特征在于，所述搅拌摩擦加工步骤S7包括混合步骤S71和冷却步骤S72，在所述混合步骤S71中，所述铝合金基体层和所述铝基复合层相互接触的部位充分混合在一起；在所述冷却步骤S72中，形成具有过渡层的制动盘。
- 根据权利要求24所述的用于制备铝基复合材料制动盘的制备方法，其特征在于，在所述搅拌摩擦加工步骤S7中，所述搅拌摩擦加工的搅拌转速为600～1200转/min，进给速度为100～500mm/min。
- 根据权利要求24-31中任一项权利要求所述的用于制备铝基复 合材料制动盘的制备方法，其特征在于，在所述增强颗粒焙烧预处理步骤S3中，将所述焙烧预处理的温度在400～1000℃。
- 根据权利要求24-31中任一项权利要求所述的用于制备铝基复合材料制动盘的制备方法，其特征在于，在所述机械搅拌步骤S4中，将电机的转速控制在500～600转/min。
- 根据权利要求24-31中任一项权利要求所述的用于制备铝基复合材料制动盘的制备方法，其特征在于，在所述搅拌摩擦加工步骤S7中，所述铝基复合层与所述铝合金基体层之间生成过渡层。
- 根据权利要求24-31中任一项权利要求所述的用于制备铝基复合材料制动盘的制备方法，其特征在于，所述铝基复合层的抗拉强度Rm≥140MPa，断后伸长率A≥0.5％，硬度≥65HBW。
- 根据权利要求40所述的用于制备铝基复合材料制动盘的制备方法，其特征在于，所述过渡层中具有球状或类球状的硅相。
- 根据权利要求41所述的用于制备铝基复合材料制动盘的制备方法，其特征在于，所述硅相长度≤10μm，所述硅相的球度为20％～100％。
- 一种用于如权利要求17至42中任意一项所述的制备铝基复合材料制动盘的制备方法中的搅拌摩擦加工待焊铝基复合材料的搅拌摩擦工具，所述搅拌摩擦工具包括搅拌头和夹持体，其特征在于，所述搅拌头具有第一圆锥面，所述夹持体具有第二圆锥面，所述第一圆锥面和所述第二圆锥面彼此接触，使所述搅拌头同轴地安装在所述夹持体中，所述搅拌摩擦工具还具有固定结构，将所述搅拌头和夹持体固定在一起。
- 根据权利要求43所述的用于搅拌摩擦加工待焊铝基复合材料的搅拌摩擦工具，其特征在于，所述搅拌头安装在所述夹持体中，使得所述搅拌头径向受力时位置不会改变，受工作时的轴向力时所述搅拌头与所述夹持体被牢牢固定住。
- 根据权利要求43所述的用于搅拌摩擦加工待焊铝基复合材料的搅拌摩擦工具，其特征在于，所述第一圆锥面与所述搅拌头的轴线的夹角α大于0°且小于45°。
- 根据权利要求45所述的用于搅拌摩擦加工待焊铝基复合材料的搅拌摩擦工具，其特征在于，所述第一圆锥面的长度L与所述搅拌头的轴肩半径D的关系式为：L＝(0.5～1)×D×sinα。
- 根据权利要求43所述的用于搅拌摩擦加工待焊铝基复合材料的搅拌摩擦工具，其特征在于，所述夹持体底部具有至少一个垂直于所述夹持体的轴线的螺纹孔，所述搅拌头具有与所述螺纹孔安装位置相对应的圆锥孔，在所述螺纹孔中安装有固定螺钉，所述固定螺钉的顶部定位于所述圆锥孔中。
- 根据权利要求43所述的用于搅拌摩擦加工待焊铝基复合材料的搅拌摩擦工具，其特征在于，所述搅拌头底部设有半径d小于所述搅拌头的轴肩半径D的搅拌针，所述搅拌针的高度h略小于所述待焊铝基复合材料的厚度δ。
- 根据权利要求48所述的用于搅拌摩擦加工待焊铝基复合材料的搅拌摩擦工具，其特征在于，所述搅拌头具有轴肩高度t，所述轴肩高度t略小于所述搅拌头的轴肩半径D。
- 根据权利要求49所述的用于搅拌摩擦加工待焊铝基复合材料的搅拌摩擦工具，其特征在于，所述轴肩高度t与所述搅拌头的轴肩半径D的关系为：t＝(0.6～0.95)×D。
- 根据权利要求48所述的用于搅拌摩擦加工待焊铝基复合材料的搅拌摩擦工具，其特征在于，所述搅拌头的轴肩半径D与所述待焊铝基复合材料的厚度δ的关系式为：
- 根据权利要求51所述的用于搅拌摩擦加工待焊铝基复合材料的搅拌摩擦工具，其特征在于，所述搅拌针外表面为第三圆锥面，所述第三圆锥面具有锥面倾角β，所述第三圆锥面的长度l满足如下关系式：l＝(0.5～1.5)×[h÷cosβ+(D-d-h×tanβ)×sinβ]。
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