先进制造技术

2019年月，中共中央、国务院发布《交通强国建设纲要》，大力推进交通强国战略。2020年12月，我国政府提出“做好碳达峰、碳中和工作”。2021 年 3月，进一步提出“双碳”目标。所以， 轨道交通工具轻量化、绿色化及智能化的需求愈发迫切。为推动轨道交通装备及关键零部件轻量化发展，国务院发布的《中国制造 2025》、《十四五国家战略性新兴产业发展规划》明确加快先进轨道交通装备轻量化新材料、新技术、新工艺的应用。制动盘作为轨道交通车辆的关键制动部件，其轻量化备受业界关注。传统的钢质制动盘在反复制动过程中容易出现热斑和热疲劳裂纹，严重影响了制动盘的服役安全性和寿命。颗粒增强铝基复合材料具有质量轻、比强度和比刚度高、导热性好、热容量高、耐磨性及耐热性好等优点，使其成为下一代轨道交通列车制动盘的首选。本项目首次提出以 7075 高强铝合金为制动盘基体材料，采用超音速火焰喷涂技术在 7075铝合金表面制备梯度 WC 颗粒增强的镍基合金耐磨层。项目研究为轨道列车铝基复合制动盘制造及无限期延寿提供一种新途径，为推动轨道列车轻量化应用提供重要的理论指导与技术支撑。

近年来，日本、德国、法国等相继开展了铝基复合制动盘的研发。日本新干线将轴重由 16t 减少到11.3t，可以减少34%运营能耗。德国己经开发了轨道列车铝基复合制动盘并在欧洲、香港等地获得应用。2003年起，在国家“863”高技术研究发展计划支持下，我国铝基复合制动盘研发也己取得阶段性成果。目前较为先进的制备方法主要是压力铸造工艺和粉末冶金工艺。2016年，德国 Knorr 公司、中国铁道科学院及湖南文昌新材料科技有限公司联合研发在采用压力铸造工艺生产出铝基复合制动盘，并在北京地铁十九号线上进行了试用。2021年12 月，湖南金天铝业高科技股份有限公司采用粉末冶金工艺生产出时速120km/h 铝基复合制动盘，并在济南地铁六号线上进行试运行。上述两种工艺方法仅是利用了铝合金密度低的特点，但由于铝合金力学性能比钢铁材料低，导致铝基复合制动盘的耐磨性能要远远低于钢铁材料，致使制动盘服役寿命降低，增加了更换频次。目前国内时速120公里/小时的轨道交通工具的铝基复合制动盘均从德国 Knorr 公司进口，铝基复合制动盘价格是1.5 万元/件，一节车厢共有16 个制动盘，一趟列车按照 6个车厢编组计算，光铝基复合制动盘费用共需 144 万元，服役寿命一般为 2-3 月，每年费用 600 余万元。使用超音速火焰喷涂技术生产的铝基复合制动盘直接产品成本3200 元/件，批量生产成本可以控制在 2500 元/件，一趟列车可以节约成本 120 万元。另外，采用该工艺生产的铝基复合制动盘的耐磨层达到 0.8mm，远超德国克诺尔公司生产的 0.2-0.3mm，服役寿命达 6 个月，每年节约成本 550 余万元。并且当制动盘耐磨层厚度达到一定程度后，还可以利用超音速火焰喷涂技术进行再次修复，进一步降低生产成本。综合来看，采用本工艺生产的铝基复合制动盘经济效益相当可观， 同时为轨道列车铝基复合制动盘制造及无限期延寿提供一种新途径，推动国内制动盘生产企业转型升级。