軌道交通制動盤用顆粒增強鋁基復合材料研究及進展

劉春軒，羅 任，謝 屹，霍樹海，曹柳絮，2，邱敬文

（1. 湖南金天鋁業(yè)高科技股份有限公司，湖南瀘溪 416117；2. 中南大學粉末冶金國家重點實驗室，湖南長沙 410084）

1 引言

近年來，軌道交通發(fā)展迅速，而能源問題卻成為阻礙其發(fā)展的重要影響因素。據(jù)統(tǒng)計，車體重量每減輕10%，可節(jié)約能耗6% ～ 8%，因此，軌道交通裝備輕量化是提速降噪、節(jié)能降耗的有效手段[1]。

踏面制動與盤形制動是軌道交通車輛2種基礎(chǔ)制動模式。與踏面制動相比，盤形制動散熱性好、制動效率高、摩擦副磨耗低、適用速度更廣泛，因而成為制動技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。制動盤作為車輛核心零部件，其輕量化可以降低車輛運行阻力、減輕軌道壓力，從而減少車輪與軌道磨損，為車輛提速創(chuàng)造有利條件，并且降低能耗與維護成本。

制動盤服役過程中受強烈摩擦力作用，車輛動能轉(zhuǎn)化為熱能使制動盤溫度迅速升高，在車輛運行過程中熱量又散至空氣中使制動盤冷卻，制動盤易產(chǎn)生熱疲勞。因此，制動盤材料應(yīng)具有良好的高溫強度、耐磨性能，穩(wěn)定且合適的摩擦因數(shù)等優(yōu)點。為滿足輕量化要求，其還必須具有密度小的特性。目前國內(nèi)外開發(fā)的城市軌道交通制動盤主要為鑄鐵、鑄鋼、鍛鋼、鋁基復合材料與以碳纖維或其織物為增強相（C/C）的復合材料制動盤[2]，圖1為城市軌道交通車輛鋁基復合材料制動盤。在不同材料制成的制動盤中，鋁合金與灰口鑄鐵的適應(yīng)范圍最廣，基本覆蓋軌道交通的運營速度范圍，但是鑄鐵、鑄鋼、鍛鋼的密度大，與軌道交通車輛輕量化發(fā)展方向不相符；C/C復合材料具有質(zhì)輕、耐磨、高導熱的特點，但成本高昂，在軌道交通方面經(jīng)濟性較差。

鋁基復合材料綜合鋁合金與陶瓷材料的優(yōu)勢，相對于鋁合金具有更佳的耐磨性、耐溫性、比強度和比剛度，而相對于陶瓷材料又具有更高的導熱性及韌性。鋁基復合材料密度小，與鑄鐵制動盤相比，鋁基復合材料制動盤質(zhì)量減輕約50%，同時表現(xiàn)出優(yōu)良的比強度、比彈性模量、耐磨等綜合性能。

目前已被開發(fā)出的鋁基復合材料分為纖維、晶須與顆粒增強鋁基復合材料。其中，纖維與晶須增強鋁基復合材料存在生產(chǎn)成本高、制備中增強體易損傷且分布不均勻等缺點；顆粒增強鋁基復合材料有效克服了這些缺點，因而得到廣泛應(yīng)用。常見增強顆粒主要為碳化硅、氧化鋁、碳化硼、二硼化鈦與二氧化鋯等，其中碳化硅具有強度高、硬度高、彈性模量高與耐磨性能好等優(yōu)點，常被選用為鋁基復合材料的增強體[3]。目前投入使用或者文獻、專利報道的鋁基復合材料制動盤普遍選用碳化硅顆粒作為增強體[4]。

2 顆粒增強鋁基復合材料制備方法

顆粒增強鋁基復合材料制備有2個突出的難點，一是增強顆粒在基體中易團聚，分布均勻程度不易控制，基體中易出現(xiàn)第二相偏析；二是增強顆粒與基體間的界面控制問題，界面反應(yīng)易生成碳化鋁等脆性相，不利于材料性能提高[5]，而且熔融金屬表面張力很大，使得與增強陶瓷顆粒的潤濕非常困難。

經(jīng)過多年發(fā)展，目前常見的顆粒增強鋁基復合材料制備方法主要是攪拌鑄造法、壓力鑄造法、無壓滲透法、噴射沉積法與粉末冶金法等。目前已投入使用的鋁基復合材料制動盤多采用鑄造法生產(chǎn)。表1為主流制備工藝的相關(guān)特點。

表1 制動盤用顆粒增強鋁基復合材料主流制備工藝特點

2.1 攪拌鑄造法

攪拌鑄造法是將增強顆粒加入鋁合金熔體中，經(jīng)機械攪拌使增強顆粒均勻分布于鋁合金熔體，隨后澆鑄獲得鑄錠，最后經(jīng)二次加工獲得制動盤。攪拌鑄造法工序簡單、成本較低，可以實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。研究認為，鑄造過程中工藝參數(shù)對增強顆粒在基體中的均勻性影響從大到小依次為：攪拌速度、攪拌時間、攪拌溫度[6]。攪拌鑄造法的缺點是材料孔隙率偏高；增強顆粒易團聚且在澆鑄過程中受重力影響下沉而分布不均勻并產(chǎn)生偏析，進而影響材料力學性能。當顆粒尺寸較小時易出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，而且當增強體顆粒含量較多時，也容易出現(xiàn)顆粒團聚，分散不均勻的問題。因此，攪拌鑄造法制備的鋁基復合材料中陶瓷顆粒體積分數(shù)通常低于20%，且陶瓷顆粒尺寸通常大于10 μm。另外，由于鋁合金熔體溫度高，增強顆粒如碳化硅易與基體發(fā)生界面反應(yīng)而生成脆性相碳化鋁[7]。界面脆性相的存在將降低復合材料界面力學性能，從而導致整體力學性能降低。攪拌鑄造法結(jié)合流變成型或觸變成型可以實現(xiàn)大尺寸鋁基復合材料構(gòu)件制備。

2.2 壓力鑄造法

鋁基復合材料壓力鑄造通常是將增強顆粒與粘結(jié)劑混合攪拌均勻，經(jīng)壓制成形獲得預制塊，將預制塊烘干后在壓力作用下使鋁液或者鋁合金液滲入至預制塊內(nèi)，形成復合材料。該方法可制備增強顆粒體積分數(shù)較高的復合材料；壓鑄過程中熔體與增強顆粒接觸時間短暫，可以抑制界面反應(yīng)進行，生產(chǎn)設(shè)備簡單，可以實現(xiàn)批量生產(chǎn)。但鋁合金熔體在滲透過程中難以充分滲入預制塊的內(nèi)部孔隙，導致復合材料缺陷增多。通過適當增大壓鑄壓力可以在不破壞預制塊的情況下減小材料缺陷。

路建寧等[8]采用3D打印制備碳化硅增強顆粒預制塊，隨后采用壓力鑄造法制備碳化硅A356復合材料，結(jié)果顯示碳化硅顆粒與基體結(jié)合強度高，材料組織均勻，但產(chǎn)生明顯的脆性相。預制塊對材料組織性能影響較大。季坤等[9]重點研究預制塊制備，探討了升溫方式、粘結(jié)劑與增強顆粒尺寸對預制塊質(zhì)量的影響，結(jié)果顯示，與恒溫加熱方式相比，采用從低溫緩慢升至高溫的方式制備預制塊強度更高；增強顆粒尺寸越小，預制塊脫模越困難且破損更嚴重。壓力鑄造可以提高增強體和鋁合金潤濕性，同時加快浸滲速度，抑制增強體在浸滲過程中與液態(tài)合金的有害界面反應(yīng)。但是壓力設(shè)備的加入會使得工藝流程復雜，設(shè)備成本提高。

2.3 無壓滲透法

無壓滲透法需要制備增強顆粒預制塊，將增強體用一定量的粘結(jié)劑粘結(jié)成具有一定形狀的塊體，將該預制塊放入模具型腔內(nèi)，隨后進行澆鑄，鋁液或鋁合金液在自身重力與表面張力作用下滲入預制件內(nèi)部形成復合材料，由于先滲入預制體中的鋁液會迅速凝固而阻礙鋁液繼續(xù)深入，因此需要對預制塊進行預熱處理[10]。該方法優(yōu)點是工藝簡單且對設(shè)備精密度要求不高，可以制備碳化硅體積分數(shù)較高的鋁基復合材料；缺點是不易控制預制體預熱臨界溫度，進而導致復合材料性能降低。另外，隨著需要浸滲深度越大，浸滲所需要時間也越長，導致鋁液與增強體之間產(chǎn)生界面反應(yīng)時間也越長，從而生成較多的界面脆性相，導致復合材料力學性能下降。如果浸滲時間不足，預制體中細小的孔隙又很難被填充滿。

劉君武等[11]采用無壓滲透法制備了碳化硅體積分數(shù)大于50%的高體積分數(shù)碳化硅顆粒增強鋁基復合材料（SiCp/Al），結(jié)果顯示在碳化硅與鋁之間存在著厚度連續(xù)且均勻的界面層，厚度為0.3 ～ 0.5 μm；碳化硅預制塊滲入鋁液后形狀與尺寸無明顯變化，實現(xiàn)近凈成形。但是碳化硅與鋁之間的潤濕性差，不利于鋁熔體充分滲入至預制塊中，研究表明在增強體中摻入一定量的鎂可以明顯改善碳化硅與鋁之間的潤濕性[12]。劉樹杰等[13]研究無壓滲透工藝對材料組織性能的影響，結(jié)果表明適當升高熔體的溫度有利于提高材料致密度；加入過量的助滲劑鎂后，在碳化硅顆粒表面生成一層較厚的鋁酸鎂相，材料中出現(xiàn)孔洞，且碳化硅顆粒團聚；適量的硅也可以促進熔體滲透至預制塊中。

2.4 噴射沉積法

噴射沉積法是將鋁合金熔體經(jīng)高壓惰性氣體霧化成高速運動的小液滴，同時將增強顆粒高速噴出，液滴在完全凝固之前與增強顆粒接觸并且共同沉積在基板上形成復合材料。與攪拌鑄造法相比，噴射沉積法的特點是增強顆粒在基體中的體積分數(shù)可以任意控制；增強顆粒與金屬熔體短暫接觸后便沉積在基板上，因此界面反應(yīng)被抑制，界面脆性相減少。其缺點是增強顆粒利用率較低，且噴射沉積獲得的坯件致密度不高，因而需要進行進一步的塑性加工以提高材料致密度與力學性能。朱龍駒等[14]采用噴射沉積技術(shù)與楔形壓制致密化技術(shù)制備了體積分數(shù)為20%的碳化硅顆粒增強鋁基復合材料制動盤。致密材料的密度為2.68 g/cm3，抗拉強度約220 MPa，布氏硬度約124。噴射沉積法也被用于梯度鋁基復合材料的制備。石金磊[33]采用噴射沉積法制備梯度鋁基復合材料，通過控制碳化硅顆粒輸出率，使其隨著沉積坯高度按規(guī)律變化。結(jié)果顯示，沉積坯底部到頂部碳化硅含量從0%逐漸升高至30%；可以看出噴射沉積法具有很好的材料組元調(diào)控靈活性，但是致密度不高。

2.5 粉末冶金法

粉末冶金法以鋁粉、鋁合金粉末以及增強顆粒為原料，首先將增強顆粒與鋁粉或鋁合金粉末按一定比例混合均勻，隨后將混合粉末壓制成形，最后將生坯燒結(jié)獲得燒結(jié)體。粉末冶金法制備顆粒增強鋁基復合材料的主要工序包括：混粉，成形，燒結(jié)和整形。

Shin等[16]采用粉末冶金法，以2系鋁合金為基體，制備碳化硅顆粒增強鋁基復合材料，研究了燒結(jié)溫度對合金組織性能的影響，結(jié)果表明，在一定的燒結(jié)溫度范圍內(nèi)，隨著燒結(jié)溫度的升高，液相量增加，碳化硅顆粒沉積導致材料中出現(xiàn)貧碳化硅區(qū)域，顯微組織出現(xiàn)偏析、不均勻的現(xiàn)象，材料的晶粒粗化，綜合力學性能降低。金鵬等[17]采用熱壓燒結(jié)制備體積分數(shù)為15%的碳化硅顆粒增強鋁基復合材料，結(jié)果表明，隨著燒結(jié)溫度的增加，材料組織均勻，但材料的致密度、強度與延伸率均先升高后降低，在580 ℃達到峰值。力學性能的降低歸因于高溫燒結(jié)過程中界面反應(yīng)生成的碳化鋁與鋁酸鎂等脆性相。

與噴射沉積法、攪拌鑄造法相比，粉末冶金法主要優(yōu)點為：①復合材料中各組分的比例可以任意改變，易于控制陶瓷顆粒的體積分數(shù)，可以制備增強顆粒體積分數(shù)較大的復合材料；②增強顆粒均勻分布于基體中，材料中無明顯的第二相偏析與顆粒團聚，材料組織均勻；③燒結(jié)溫度低于鋁的熔點，一方面可以抑制鋁與陶瓷顆粒之間的界面反應(yīng)，另一方面可以細化基體組織；④復合材料表現(xiàn)出較高的綜合力學性能；⑤可實現(xiàn)近凈成形，材料利用率高。

粉末冶金法制備顆粒增強鋁基復合材料存在的問題，一是原材料鋁粉相對于鋁錠成本較高，燒結(jié)后燒結(jié)體的致密度偏低；二是制動盤散熱筋等復雜結(jié)構(gòu)無法在粉末壓制時完全成形。燒結(jié)體需要進行進一步的塑性變形精整以制備滿足要求的制動盤。

截至目前，國內(nèi)高新技術(shù)企業(yè)已首次采用粉末冶金工藝制備了120 km/h軌道交通車輛鋁基復合材料制動盤；該高新技術(shù)企業(yè)應(yīng)用粉末冶金工藝，生產(chǎn)出多系列碳化硅顆粒增強鋁基復合材料制動盤，其開發(fā)的低質(zhì)量分數(shù)碳化硅顆粒增強鋁基復合材料，抗拉強度約320 MPa，布氏硬度約120，彈性模量約110 GPa，延伸率約3%；中高質(zhì)量分數(shù)碳化硅顆粒增強鋁基復合材料，抗拉強度約330 MPa，布氏硬度約140，彈性模量約140 GPa，延伸率約1.5%。掃描電鏡照片顯示制動盤所用2款鋁基復合材料內(nèi)部致密，無氣孔及細小裂紋，且碳化硅顆粒分布均勻，材料力學性能優(yōu)異，可以滿足輕量化制動盤的性能要求，如圖2所示。經(jīng)驗收，其性能優(yōu)于檢驗標準要求及現(xiàn)有鋁基復合材料制動盤。

3 顆粒增強鋁基復合材料強化機制及其影響因素

鋁基復合材料界面起著連接基體和增強體，傳遞載荷、抵抗裂紋萌生和擴展的作用?；谲壍澜煌ㄖ苿颖P的耐磨損、耐高溫、導熱性好服役要求，提高鋁基復合材料界面的結(jié)合質(zhì)量是非常重要的因素。常見顆粒增強鋁基復合材料主要強化機制包括奧羅萬強化（Orowan）、細晶強化、位錯強化、固溶強化、沉淀強化機制等。增強顆粒在基體中的體積分數(shù)、顆粒尺寸與顆粒形狀也是影響材料性能重要因素。

3.1 增強顆粒預處理

增強顆粒與鋁合金基體之間的潤濕性較差，顆粒在材料中易團聚且與基體結(jié)合強度較低，制動盤服役過程中增強顆?？赡苊撀涠共牧鲜В辉诓牧现苽溥^程中，即使采用噴射沉積法或者粉末冶金法，增強顆粒與基體反應(yīng)在界面形成脆性相也可能發(fā)生，脆性相的存在將導致復合材料力學性能降低。對增強顆粒進行相應(yīng)的預處理是改善增強顆粒與基體間的潤濕性、抑制界面反應(yīng)的有效手段。

對碳化硅顆粒進行加熱、酸洗或者超聲處理可以去除顆粒表面吸附的氣體，清潔表面；或者將碳化硅顆粒在空氣中高溫焙燒，使顆粒表面氧化生成一層氧化硅，此方法可以改善碳化硅顆粒與鋁合金基體的潤濕性，提高復合材料的硬度與耐磨性能[18]。王愛琴等[19]將碳化硅顆粒在1100 ℃焙燒3 h后在蒸餾水中進行超聲處理，隨后采用粉末冶金工藝制備碳化硅增強鋁-硅復合材料，結(jié)果表明，采用未預處理碳化硅顆粒制備的復合材料中，界面處存在孔洞，材料斷裂從界面處進行；碳化硅顆粒預處理后，顆粒表面潔凈，棱角鈍化，復合材料中碳化硅顆粒分布均勻，基體組織界面處空洞消失，材料抗拉強度提升50 MPa。

在碳化硅顆粒上涂覆一層金屬，如銅、鎳、鈦等，這類金屬與鋁潤濕性好，可以提升增強顆粒與基體間的界面結(jié)合強度[20]。表面涂覆方法包括物理氣相沉積、化學氣相沉積、溶膠凝膠法、電鍍與化學鍍等。

3.2 增強顆粒體積分數(shù)

對于顆粒增強鋁基復合材料，增強顆粒是主要強化源。一般情況下，隨著增強顆粒體積分數(shù)的增加，復合材料的彈性模量、抗拉強度、硬度也增加，但降低了材料的延展性與斷裂韌性[21]。Soon-Jik等[21]采用離心霧化與熱擠壓工藝制備了碳化硅顆粒增強2024鋁基復合材料，并推導出計算復合材料屈服強度公式，如式（1）所示：

式（1）中，σ、V分別代表屈服強度與體積分數(shù)；m、r、c分別代表基體、增強體與團聚體。經(jīng)驗證，實驗結(jié)果與計算結(jié)果基本相符合。

制動盤用鋁基復合材料必須滿足強度高、耐磨性能好等要求，因此碳化硅顆粒體積分數(shù)普遍較高，可以達到20%。然而，復合材料中增強顆粒的體積分數(shù)亦會受到制備方法的限制。采用攪拌鑄造法制備的鋁基復合材料制動盤碳化硅顆粒體積分數(shù)通常為20%[4]，采用粉末冶金法或者無壓滲透法制備的鋁基復合材料制動盤碳化硅顆粒體積分數(shù)可以超過50%[22]。

3.3 增強顆粒尺寸

復合材料的變形行為與顆粒尺寸之間有直接的關(guān)系。復合材料的屈服強度與塑性硬化速率會隨著顆粒尺寸的增加而減小。小尺寸的增強顆粒對復合材料強度增強效果明顯；大尺寸增強顆粒易存在缺陷，受載荷作用時可能發(fā)生斷裂，基體承載的載荷不能有效傳遞至增強顆粒，導致材料抗拉強度的降低。Sun等研究了碳化硅顆粒尺寸對復合材料組織性能的影響，結(jié)果表明，小尺寸碳化硅顆粒易團聚，材料斷裂表面主要為基體的韌性斷裂以及碳化硅顆粒與基體的界面脫開；隨著碳化硅顆粒尺寸的增大，顆粒分布愈發(fā)均勻，材料抗拉強度與屈服強度呈降低的趨勢，斷裂表面主要是基體的韌性斷裂以及碳化硅顆粒的斷裂。據(jù)此特點，雙尺度顆粒增強復合材料被開發(fā)出來：小尺寸顆粒有利于材料強度與硬度的增加，而大尺寸顆粒可以提高材料摩擦性能。高紅霞等[23]采用粉末冶金工藝制備了雙尺度碳化硅顆粒增強鋁基復合材料，材料表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合力學性能。

3.4 增強顆粒形狀

碳化硅增強顆粒的形狀是影響材料力學性能與斷裂機制的因素。徐尊平等用有限元方法建立三維模型探討碳化硅顆粒幾何特征對鋁基復合材料力學行為的影響，結(jié)果表明，相對于顆粒尺寸與顆粒體積分數(shù)，材料的應(yīng)力與應(yīng)變對顆粒角度更為敏感，小角度顆粒在受到較小的拉伸力作用時，顆粒尖角處易產(chǎn)生應(yīng)力集中；顆粒角度越大，材料應(yīng)力應(yīng)變集中現(xiàn)象越小，材料表現(xiàn)出更高的力學性能。對碳化硅顆粒做鈍化處理，保留一定大角度的同時消除尖角，有利于提升顆粒對基體的增強效果。

4 結(jié)語與展望

軌道交通制動盤的輕量化是軌道交通發(fā)展的主流方向之一，顆粒增強鋁基復合材料因具有高比強度、高硬度、高彈性模量、耐磨損與抗熱疲勞等優(yōu)點被作廣泛研究，并成功運用到軌道交通制動盤領(lǐng)域。隨著城市規(guī)模的不斷擴大，社會對軌道交通的安全、速度和經(jīng)濟性有了更高的要求。高速軌道交通將會是未來發(fā)展的重點方向。這也對顆粒增強鋁基復合材料制動盤研發(fā)和制備提出了更高的要求。

綜合文章分析，筆者認為以下3方面是未來顆粒增強鋁基復合材料制動盤研發(fā)和生產(chǎn)過程中亟需關(guān)注的問題。

（1）高體積分數(shù)顆粒增強鋁基復合材料制動盤有望適應(yīng)運行速度更快的軌道交通車輛，其制備加工存在增強顆粒易團聚和機加工難度大2個主要問題。隨著霧化鋁粉制備工藝的成熟和鋁粉成本的降低，基于近凈成形方面的優(yōu)勢，粉末冶金工藝將在制備高體積分數(shù)顆粒增強鋁基復合材料制動盤方面展示出較大的應(yīng)用潛力。

（2）采用粉末冶金方法制備雙尺度顆粒增強鋁基復合材料。在制粉過程中使納米尺度與微米尺度的增強顆粒與鋁合金粉末混合均勻，有望制備出強度高且耐磨性能好的制動盤。

（3）開發(fā)工藝簡單、成本低廉的碳化硅表面改性工藝。提高碳化硅顆粒與基體的界面結(jié)合質(zhì)量，可以進一步提高材料的性能。