指导老师：左敦稳 教授/博导
论文题目：SiCp/Al复合材料搅拌摩擦连接-铣削复合加工基础研究
答辩委员会：
主席： 袁军堂教授/博导 南京理工大学
委员： 孙序泉研究员 南京数控机床有限公司
卢文壮教授/博导 南京航空航天大学
朱永伟教授/博导 南京航空航天大学
徐 锋教授/博导 南京航空航天大学
孙玉利教授/博导 南京航空航天大学
左敦稳 教授/博导 南京航空航天大学
秘书：李 军教授 南京航空航天大学
答辩时间：2020年12月21日14:00
地点：南航明故宫校区15#341
学位论文简介：
SiCp/Al复合材料拥有良好的性能，已广泛用于国防军工等领域。然而，由于SiCp/Al复合材料的二次加工比较困难，尤其是在连接方面，成为其广泛应用的主要障碍。搅拌摩擦连接属于固相连接，能够防止熔焊方法中孔隙、有害相等缺陷的生成。但是，由于SiC颗粒的高硬度，搅拌针表面往往会发生严重的磨损。此外，接头表面存在大量的飞边和毛刺，严重影响接头表面质量，需要后续的铣削或打磨加工。因此，如何降低搅拌工具的磨损和有效去除接头表面的飞边和毛刺是SiCp/Al复合材料搅拌摩擦连接中亟待解决的问题。本文提出了搅拌摩擦连接-铣削复合加工创新思路，研制了一种搅拌摩擦连接-铣削复合加工工具，开展了SiCp/Al复合材料搅拌摩擦连接-铣削复合加工的相关研究。主要内容包括：
（1）研制了搅拌摩擦连接-铣削复合加工工具。开展了多种工具材料的试验研究，结果发现H13钢和高速钢工具易磨损；钎焊金刚石工具金刚石脱落严重；硬质合金、金属陶瓷、PCBN和PCD工具易崩碎。最后选择了高速钢+AlCrN涂层，并对搅拌摩擦连接-铣削复合工具的结构进行创新设计，成功研制出搅拌摩擦连接-铣削复合加工工具。
（2）建立了搅拌摩擦连接-铣削复合加工热源模型。研究了搅拌摩擦连接产热和铣削产热的分布，建立搅拌摩擦连接-铣削复合加工热源模型，讨论了复合加工过程中的能量耗散问题。通过实验结果对比，证明了搅拌摩擦连接-铣削复合加工热源模型的有效性。
（3）建立了圆柱形搅拌针的磨损模型。在摩擦磨损理论和流体动压理论的基础上，建立了圆柱形搅拌针的磨损模型，并通过实验进行了验证。通过对搅拌针磨损形貌分析，阐明了SiCp/Al复合材料搅拌摩擦连接中工具的磨损机理。通过磨损实验建立了复合工具中搅拌针与铣刀片的磨损匹配关系。
（4）研究了复合加工表面形貌特性。从接缝表面的几何残留高度、材料的塑性变形高度和弹性回复量出发，建立搅拌摩擦连接-铣削复合加工表面残留高度模型，分析了影响表面粗糙度的因素。此外，通过实验研究了旋转速度和移动速度对表面粗糙度的影响。
（5）研究了复合加工接头力学性能。对不同工艺参数下复合加工接头的微观形貌、微观硬度、晶粒尺寸、焊核区沉淀相的演变以及拉伸性能进行了研究，结果发现，拉伸试样的断裂位置都发生在热影响区，拉伸性能随着转速的增加而降低，随着移动速度的增加而增加。
（6）研究了复合加工接头腐蚀性能。开展了焊核区的腐蚀性能研究，结果表明接头焊核区的耐腐蚀性要比复合材料基体的耐腐蚀性强，不同工艺参数对接头腐蚀性能也有一定的影响，提高工具的转速和降低移动速度可以增强接头焊核区的耐腐蚀性。
主要创新点如下：
（1）提出了一种搅拌摩擦连接-铣削复合加工新方法。该方法将“搅拌头”与“铣刀”的运动轨迹合二为一，“搅拌连接”与“去除”互不干涉，能同时兼顾“连接”与“去除”，在搅拌摩擦连接的同时，可以有效去除飞边，避免焊接后的二次打磨和铣削加工，大大提高焊缝表面的质量和加工效率。
（2）研制了一种搅拌摩擦连接-铣削复合加工工具。通过对搅拌工具耐磨材料的选择和结构创新设计，使“搅拌摩擦连接”与“铣削”合二为一，能实现在连接的同时完成铣削加工，并通过实验研究获得了搅拌针与铣刀片在一定参数下的磨损匹配规律。
（3）建立了搅拌摩擦连接-铣削复合加工热源模型。研究了搅拌摩擦连接生热和铣削产热过程中的热源分布和能量耗散规律，通过搅拌摩擦连接生热和铣削产热的耦合，建立搅拌摩擦连接-铣削复合加工热源模型，为探索热源对搅拌摩擦连接-铣削复合加工接头性能的影响提供了研究基础。
（4）建立了SiCp/Al复合材料搅拌摩擦连接中搅拌针的磨损理论模型。基于摩擦磨损理论和流体动力学理论，构建了圆柱搅拌针的磨料磨损模型，并通过无涂层搅拌针和AlCrN涂层搅拌针搅拌摩擦连接实验验证了模型的有效性，为后续高性能的搅拌头材料的研究提供理论支持。
