CN117386743A - 复合制动器转子 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及复合制动器转子。具有复合结构的制动器转子可以包括限定制动器转子的相对摩擦表面的环形本体。环形本体可以包括由Al‑Si合金制成的芯、由设置在芯上的热绝缘材料制成的热障层、以及在热障层上方设置在芯上的由Fe‑Al‑Si‑Zr合金制成的耐磨层。耐磨层可以限定环形本体的相对摩擦表面中的第一个。

Description

复合制动器转子
引言
本部分提供了与本公开相关的背景信息，该信息不一定是现有技术。
技术领域
本公开总体上涉及制动器转子，并且更特别地涉及由轻质铝合金制成的复合制动器转子。
背景技术
机动车辆的盘式制动器组件包括在其相对两侧上具有一对环形摩擦表面的盘或转子。转子可以安装在车辆的可旋转轮轴上，该可旋转轮轴可以联接到车辆的车轮。在制动期间，转子的外周边被夹持在一对对置的制动片之间，所述制动器片接合转子的摩擦表面并减慢或停止转子和车轮的旋转。机动车辆的制动器转子通常由铸铁制成，其可以承受在制动期间产生的高摩擦力和高温。
可能希望用相对轻质的铝而不是铸铁来制造机动车辆的制动器转子，以减轻车辆的重量。可能希望研发一种用于机动车辆的铝合金制动器转子，其表现出至少与铸铁一样高的耐磨性和热稳定性。
发明内容
本部分提供了本公开的概述，而不是对其全部范围或所有特征的全面公开。
本公开涉及一种具有复合结构的制动器转子。制动器转子包括限定相对摩擦表面的环形本体。环形本体包括芯、热障层和耐磨层。芯由Al-Si合金制成，并包括具有环形表面的至少一个环形盘。热障层由热绝缘材料制成，并设置在芯的环形表面上。耐磨层由Fe-Al-Si-Zr合金制成，并设置在热障层上方的芯的环形表面上。耐磨层限定环形本体的相对摩擦表面中的第一个。
Al-Si合金可以是过共晶合金，按质量计，该过共晶合金包括大于或等于约80％至小于或等于约87％的铝和大于或等于约13％至小于或等于约20％的硅。
按质量计，Al-Si合金可以包括大于或等于约10％至小于或等于约20％的碳化硅。
芯可以具有大于或等于约2600千克/立方米至小于或等于约2700千克/立方米的密度和大于或等于约9毫米至小于或等于约36毫米的厚度。
热绝缘材料可以包括高熵合金、高熵陶瓷或它们的组合。
热绝缘材料可以具有大于或等于约0.4瓦/米·开尔文至小于或等于2瓦/米·开尔文的热导率。
按质量计，Fe-Al-Si-Zr合金可以包括大于或等于约45％至小于或等于约60％的铁、大于或等于约35％至小于或等于约45％的铝、大于或等于约1％至小于或等于约3％的锆、以及大于或等于约0.5％至小于或等于约2％的硅。
Fe-Al-Si-Zr合金可以包括晶粒细化剂，其量按质量计大于或等于Fe-Al-Si-Zr合金的约0.05％至小于或等于约1％。晶粒细化剂可以包括硼化铬(III)和硼化钽中的至少一种。
Fe-Al-Si-Zr合金可以具有大于或等于约4800千克/立方米至小于或等于约5200千克/立方米的密度。
热障层可以具有大于或等于约0.1毫米至小于或等于约4毫米的厚度。
耐磨层可以具有大于或等于约1毫米至小于或等于约4毫米的厚度。
热障层可以是穿孔的，并且可以包括在轴向方向上延伸穿过热障层的多个通孔。
耐磨层可以包括多个锚固件，所述多个锚固件从热障层的外表面朝向芯延伸到多个通孔中。
多个锚固件可以从热障层的外表面延伸到多个通孔中，到达芯的环形表面。在这种情况下，耐磨层的Fe-Al-Si-Zr合金可以经由多个锚固件冶金结合到芯的Al-Si合金。
芯可以包括通过多个肋在轴向方向上彼此间隔开的一对第一和第二环形盘。
本公开涉及另一种制动器转子，其包括环形本体，该环形本体限定制动器转子的相对的第一和第二摩擦表面。环形本体包括芯、第一和第二热障层以及第一和第二耐磨层。芯由Al-Si合金制成，并且包括通过多个肋在轴向方向上彼此间隔开的一对第一和第二环形盘，第一和第二环形盘中的每一个都具有环形表面。第一和第二热障层由热绝缘材料制成，并且分别设置在芯的第一和第二环形盘的环形表面上。第一和第二耐磨层由Fe-Al-Si-Zr合金制成，并且分别设置在第一和第二热障层上方的第一和第二环形盘的环形表面上。第一和第二耐磨层分别限定环形本体的相对的第一和第二摩擦表面。
公开了一种制造制动器转子的方法。在该方法中，将Al-Si合金铸造成转子芯的形状，该转子芯包括具有环形表面的至少一个环形盘。热绝缘材料直接沉积在转子芯的环形表面上，以形成热障层。Fe-Al-Si-Zr合金沉积在热障层上方的转子芯的环形表面上，以形成耐磨层。
可以使用定向能量沉积工艺将热绝缘材料和Fe-Al-Si-Zr合金沉积在转子芯的环形表面上。
热绝缘材料可以沉积在转子芯的环形表面上，使得热障层被穿孔并包括在轴向方向上延伸穿过其的多个通孔。
在Fe-Al-Si-Zr合金沉积在转子芯的环形表面上期间，Fe-Al-Si-Zr合金可以流入并穿过热障层中的通孔，并且形成将耐磨层的Fe-Al-Si-Zr合金冶金结合到芯的Al-Si合金的多个锚固件。
本发明提供下列技术方案。
技术方案1.一种具有复合结构的制动器转子，所述制动器转子包括：
环形本体，其限定相对的摩擦表面，所述环形本体包括：
芯，其由Al-Si合金制成并包括具有环形表面的至少一个环形盘，
热障层，其由热绝缘材料制成，设置在所述芯的所述环形表面上，以及
耐磨层，其由Fe-Al-Si-Zr合金制成，设置在所述热障层上方的所述芯的所述环形表面上，所述耐磨层限定所述环形本体的所述相对的摩擦表面中的第一个。
技术方案2.根据技术方案1所述的制动器转子，其中，所述Al-Si合金是过共晶合金，按质量计，所述过共晶合金包括大于或等于约80％至小于或等于约87％的铝和大于或等于约13％至小于或等于约20％的硅。
技术方案3.根据技术方案2所述的制动器转子，其中，按质量计，所述Al-Si合金包括大于或等于约10％至小于或等于约20％的碳化硅。
技术方案4.根据技术方案1所述的制动器转子，其中，所述芯具有大于或等于约2600千克/立方米至小于或等于约2700千克/立方米的密度和大于或等于约9毫米至小于或等于约36毫米的厚度。
技术方案5.根据技术方案1所述的制动器转子，其中，所述热绝缘材料包括高熵合金、高熵陶瓷或它们的组合。
技术方案6.根据技术方案1所述的制动器转子，其中，所述热绝缘材料具有大于或等于约0.4瓦/米·开尔文至小于或等于2瓦/米·开尔文的热导率。
技术方案7.根据技术方案1所述的制动器转子，其中，按质量计，所述Fe-Al-Si-Zr合金包括大于或等于约45％至小于或等于约60％的铁、大于或等于约35％至小于或等于约45％的铝、大于或等于约1％至小于或等于约3％的锆、以及大于或等于约0.5％至小于或等于约2％的硅。
技术方案8.根据技术方案1所述的制动器转子，其中，按质量计，所述Fe-Al-Si-Zr合金包括大于或等于所述Fe-Al-Si-Zr合金的约0.05％至小于或等于约1％的量的晶粒细化剂，并且其中，所述晶粒细化剂包括硼化铬(III)和硼化钽中的至少一种。
技术方案9.根据技术方案1所述的制动器转子，其中，所述Fe-Al-Si-Zr合金具有大于或等于约4800千克/立方米至小于或等于约5200千克/立方米的密度。
技术方案10.根据技术方案1所述的制动器转子，其中，所述热障层具有大于或等于约0.1毫米至小于或等于约4毫米的厚度。
技术方案11.根据技术方案1所述的制动器转子，其中，所述耐磨层具有大于或等于约1毫米至小于或等于约4毫米的厚度。
技术方案12.根据技术方案1所述的制动器转子，其中，所述热障层被穿孔，并且包括在轴向方向上延伸穿过其中的多个通孔。
技术方案13.根据技术方案7所述的制动器转子，其中，所述耐磨层包括多个锚固件，所述多个锚固件从所述热障层的外表面朝向所述芯延伸到所述多个通孔中。
技术方案14.根据技术方案8所述的制动器转子，其中，所述多个锚固件从所述热障层的所述外表面延伸到所述多个通孔中，到达所述芯的所述环形表面，并且其中，所述耐磨层的所述Fe-Al-Si-Zr合金经由所述多个锚固件冶金结合到所述芯的所述Al-Si合金。
技术方案15.根据技术方案1所述的制动器转子，其中，所述芯包括通过多个肋在轴向方向上彼此间隔开的一对第一和第二环形盘。
技术方案16.一种制动器转子，包括：
环形本体，其限定相对的第一和第二摩擦表面，所述环形本体包括：
芯，其由Al-Si合金制成并包括通过多个肋在轴向方向上彼此间隔开的一对第一和第二环形盘，所述第一和第二环形盘中的每一个具有环形表面，
第一和第二热障层，其由热绝缘材料制成，并且分别设置在所述芯的所述第一和第二环形盘的所述环形表面上，以及
第一和第二耐磨层，其由Fe-Al-Si-Zr合金制成，并且分别设置在所述第一和第二热障层上方的所述第一和第二环形盘的所述环形表面上，所述第一和第二耐磨层分别限定所述环形本体的所述相对的第一和第二摩擦表面。
技术方案17.一种制造制动器转子的方法，所述方法包括：
将Al-Si合金铸造成转子芯的形状，所述转子芯包括具有环形表面的至少一个环形盘；
将热绝缘材料直接沉积在所述转子芯的所述环形表面上，以形成热障层；以及
将Fe-Al-Si-Zr合金沉积在所述热障层上方的所述转子芯的所述环形表面上，以形成耐磨层。
技术方案18.根据技术方案17所述的方法，其中，所述热绝缘材料和所述Fe-Al-Si-Zr合金使用定向能量沉积工艺沉积在所述转子芯的所述环形表面上。
技术方案19.根据技术方案17所述的方法，其中，所述热绝缘材料沉积在所述转子芯的所述环形表面上，使得所述热障层被穿孔并且包括在轴向方向上延伸穿过所述热障层的多个通孔。
技术方案20.根据技术方案17所述的方法，其中，在所述Fe-Al-Si-Zr合金沉积在所述转子芯的所述环形表面上期间，所述Fe-Al-Si-Zr合金流入并穿过所述热障层中的所述通孔，并形成多个锚固件，所述多个锚固件将所述耐磨层的所述Fe-Al-Si-Zr合金冶金结合到所述芯的所述Al-Si合金。
另外的应用领域将从本文提供的描述变得显而易见。本发明内容中的描述和具体示例仅旨在用于说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。
附图说明
本文描述的附图仅用于所选实施例的说明性目的，而不是所有可能的实施方式，并且不旨在限制本公开的范围。
图1是用于机动车辆的盘式制动器组件的制动器转子的透视图，其中制动器转子包括轮毂和环形本体。
图2是沿着图1的线2-2截取的图1的环形本体的示意性横截面图，其中环形本体包括芯、设置在芯上的第一和第二热障层、以及在第一和第二热障层上方设置在芯上的第一和第二耐磨层。
图3是具有穿孔结构并包括延伸穿过其中的多个通孔的热障层的示意性横截面图。
图4是制动器转子的环形本体的示意性横截面图，其中环形本体包括芯、设置在芯上的穿孔的第一和第二热障层、以及在第一和第二热障层上方设置在芯上的第一和第二耐磨层，并且其中第一和第二耐磨层各自包括多个锚固件，这些锚固件分别从第一和第二热障层的外表面延伸到穿孔的第一和第二热障层中的多个通孔中，到达芯。
图5是用于在图2和图4的环形本体的芯上沉积第一和第二热障层以及第一和第二耐磨层的设备的示意性横截面图。
贯穿附图的几个视图，对应的附图标记表示对应的部件。
具体实施方式
提供示例性实施例，使得本公开将是彻底的，并将范围完全传达给本领域技术人员。阐述了许多具体细节，例如具体组合物、部件、设备和方法的示例，以提供对本公开的实施例的彻底理解。对于本领域技术人员来说显而易见的是，不需要采用具体的细节，示例性实施例可以以许多不同的形式实施，并且都不应该被解释为限制本公开的范围。在一些示例性实施例中，没有详细描述众所周知的过程、众所周知的设备结构和众所周知的技术。
本文使用的术语仅仅是为了描述示例实施例，而不旨在进行限制。如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”也可以旨在包括复数形式，除非上下文另有明确指示。术语“包括”、“包含”、“含有”和“具有”是包含性的，因此指定所陈述的特征、元件、组合物、步骤、整体、操作和/或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组的存在或添加。尽管开放式术语“包括”、“包含”、“含有”和“具有”应理解为用于描述和要求保护本文所述各种实施例的非限制性术语，但是在某些方面，这些术语可以替代地理解为更具限制性和约束性的术语，例如“由...组成”或“基本上由...组成”。因此，对于列举组合物、材料、部件、元件、成分、特征、整体、操作和/或过程步骤的任何给定实施例，本公开还具体包括由这些列举的组合物、材料、部件、元件、成分、特征、整体、操作和/或过程步骤组成或基本上由它们组成的实施例。在“由...组成”的情况下，替代实施例排除了任何附加的组合物、材料、部件、元件、成分、特征、整体、操作和/或过程步骤，而在“基本上由...组成”的情况下，实质上影响基本和新颖特征的任何附加的组合物、材料、部件、元件、成分、特征、整体、操作和/或过程步骤被排除在这样的实施例之外，但是实质上不影响基本和新颖特征的任何组合物、材料、部件、元件、成分、特征、整体、操作和/或过程步骤可以被包括在该实施例中。
除非被特别标识为执行顺序，否则本文所述的任何方法步骤、过程和操作都不应被解释为必须要求它们以所讨论或示出的顺序执行。还应当理解，除非另有说明，否则可以采用附加的或替代的步骤。
当部件、元件或层被称为“在另一个元件或层上”、“接合到”、“连接到”或“联接到”另一个元件或层时，它可以直接在另一个部件、元件或层上、直接地接合到、连接到或联接到另一个部件、元件或层，或者可以存在居间元件或层。相比之下，当元件被称为“直接在另一个元件或层上”、“直接接合到”、“直接连接到”或“直接联接到”另一个元件或层时，可能不存在居间元件或层。用于描述元件之间关系的其它词语应该以类似的方式来解释(例如，“在...之间”对“直接在...之间”、“相邻”对“直接相邻”等)。如本文所用，术语“和/或”包括相关联的列举项目中的一个或多个的组合。
尽管术语第一、第二、第三等可以在本文中用于描述各种步骤、元件、部件、区域、层和/或部段，但是除非另外指明，否则这些步骤、元件、部件、区域、层和/或部段不应受这些术语的限制。这些术语可以仅用于区分一个步骤、元件、部件、区域、层或部段与另一个步骤、元件、部件、区域、层或部段。除非上下文明确指出，否则诸如“第一”、“第二”和其它数字术语的术语在本文中使用时并不暗示顺序或次序。因此，在不脱离示例实施例的教导的情况下，下面讨论的第一步骤、元件、部件、区域、层或部段可以被称为第二步骤、元件、部件、区域、层或部段。
为了便于描述，诸如“在...之前”、“在...之后”、“内部”、“外部”、“下面”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等的空间或时间上相对的术语可以在本文中用来描述如图所示的一个元件或特征与另一个元件或特征的关系。除了图中所描绘的取向之外，空间或时间上相对的术语还可以旨在包括使用或操作中的设备或***的不同取向。
在整个公开内容中，数值表示范围的近似度量或限值，并包含与给定值的微小偏差，以及具有大约所提到的值的实施例以及具有恰好所提到的值的那些。除了在详细描述末尾提供的工作示例之外，本说明书(包括所附权利要求)中的参数的所有数值(例如，数量或条件的数值)应理解为在所有情况下都被术语“约”修饰，无论“约”是否实际出现在该数值之前。“约”表示所述数值允许一些轻微的不精确(一定程度上接近精确值；近似或合理接近该值；几乎)。如果由“约”提供的不精确性在本领域中没有被理解为具有这种普通的含义，那么本文使用的“约”至少表示测量和使用这种参数的普通方法可能产生的变化。例如，“约”可以包括小于或等于5％，任选地小于或等于4％，任选地小于或等于3％，任选地小于或等于2％，任选地小于或等于1％，任选地小于或等于0.5％，并且在某些方面，任选地小于或等于0.1％的变化。
此外，范围的公开包括整个范围内的所有值和进一步划分的范围的公开，包括为范围给出的端点和子范围。
如本文所用，术语“组合物”和“材料”可互换使用，以泛指包含至少优选的化学成分、元素或化合物的物质，但其也可以包括额外的元素、化合物或物质，包括痕量的杂质，除非另有说明。“基于X的”组合物或材料泛指其中“X”是组合物或材料在重量百分比(％)基础上的单一最大成分的组合物或材料。这可以包括按重量计具有大于50％X的组合物或材料，以及按重量计具有小于50％X的组合物或材料，只要基于其总重量X是组合物或材料的单一最大成分。
如本文所用，术语“金属”可指纯元素金属或元素金属与一种或多种其它金属或非金属元素的合金(称为“成合金”元素)。可以选择成合金元素以赋予合金贱金属元素没有表现出的某些期望的性质。本文描述的合金可以由基本元素(例如Al)及其主要成合金元素(例如Si和Fe)的化学符号的序列表示，成合金元素按照质量百分比递减的顺序排列(或者如果百分比相似或相等，则按字母顺序排列)，例如Al-Si-Fe合金。有时一个数字可能在成合金元素中的一种或多种的化学符号之前。在这种情况下，成合金元素的化学符号前面的数字表示该元素在合金组合物中的平均质量百分比，除非另有说明。例如，包括按质量计7％硅(Si)、0.25％铁(Fe)和余量的Al的铝合金可以表示或称为Al-7Si-0.25Fe合金。
现在将参考附图更全面地描述示例性实施例。
当前公开的制动器转子显示具有复合结构，该复合结构允许制动器转子重量相对较轻(与主要由铸铁制成的制动器转子相比)，同时还表现出优异的耐磨性和热稳定性。制动器转子具有环形本体，第一和第二摩擦表面设置在其相对两侧上。环形本体包括由重量相对较轻的Al-Si合金制成的芯和分别设置在环形本体的第一和第二摩擦表面上的第一和第二耐磨层。第一和第二耐磨层由Fe-Al-Si-Zr合金制成，与芯的Al-Si合金相比，该合金相对坚硬和致密。第一和第二热障层分别夹在第一摩擦表面和第一耐磨层之间以及第二摩擦表面和第二耐磨层之间。第一和第二热障层使芯的Al-Si合金与在制动期间在第一和第二耐磨层中产生的相对较高的温度热绝缘。例如，设置在芯的Al-Si合金的相对两侧上的第一和第二热障层可以帮助将芯保持在小于约350摄氏度(℃)的温度，即使在第一和第二耐磨层的温度大于约550℃的情况下也是如此。
图1描绘了用于机动车辆(未示出)的盘式制动器组件的制动器转子10。制动器转子10包括轮毂12、环形本体14和限定制动器转子10的旋转轴线18的中心开口16。轮毂12可以被构造成将制动器转子10安装到机动车辆的可旋转轮轴。环形本体14从中心开口16在径向方向上延伸，并限定制动器转子10的外周边20和设置在制动器转子10的相对两侧上的第一摩擦表面22和第二摩擦表面24。第一摩擦表面22和第二摩擦表面24被构造成与设置在制动器转子10的相对两侧上的制动器片(未示出)接合，以产生在制动期间对抗制动器转子10的旋转的摩擦力。
如本领域普通技术人员将理解的，当前公开的制动器转子10可以显示具有其它构造。例如，在一些方面中，轮毂12可以被省略，并且制动器转子10可以通过其它装置联接到机动车辆的可旋转轮轴。
现在参考图1和图2，环形本体14显示具有包括芯26、第一和第二热障层28以及第一和第二耐磨层30的复合结构。芯26包括至少一个环形盘，该环形盘限定设置在制动器转子10的相对两侧上并背向芯26的一对环形表面。图1和图2中描绘的芯26包括一对第一环形盘32和第二环形盘34，它们设置在制动器转子10的相对两侧上，并且通过多个肋36在轴向方向上彼此间隔开。第一环形盘32和第二环形盘34中的每一个都具有背向芯26的环形表面38。芯26可以具有在相对的环形表面38之间测量的大于或等于约9毫米至小于或等于约36毫米的厚度。芯26可以具有整体的单件构造。
芯26由过共晶铝合金制成，该过共晶铝合金除了铝之外还包括至少一种包括硅(Si)的成合金元素，并且因此可以称为Al-Si合金。Al-Si合金中硅的量选择成为Al-Si合金提供良好的可铸造性、流动性和耐磨性。按质量计，Al-Si合金可以包括大于或等于约80％至小于或等于约87％的铝和大于或等于约13％至小于或等于约20％的硅。
在一些方面中，Al-Si合金可以包括碳(C)作为成合金元素。在这种情况下，按质量计，Al-Si合金可以包括大于或等于约4％至小于或等于约8％的碳。碳可以以碳化硅(SiC)的形式存在于Al-Si合金中。在这种情况下，按质量计，Al-Si合金可以包括大于或等于约10％至小于或等于约20％的碳化硅。
与铸铁相比，Al-Si合金表现出优异的耐腐蚀性、高延展性和低密度。例如，Al-Si合金可以具有大于或等于约2600千克/立方米(kg/m3)至小于或等于约2800kg/m3或小于或等于约2700kg/m3的密度。在一个具体示例中，Al-Si合金可以具有约2700kg/m3的密度。Al-Si合金可以表现出大于或等于约186瓦/米·开尔文(W/m·K)至小于或等于约225W/m·K的热导率和大于或等于约0.9kJ/kg·K至小于或等于约1.3kJ/kg·K的比热。
第一和第二热障层28分别设置在芯26的相对环形表面38上，并且被构造成在制动期间抑制从制动器转子10的第一摩擦表面22和第二摩擦表面24到芯26的热传递。在各方面中，第一和第二热障层28可以直接沉积在芯26的相对环形表面38上。即使在第一和第二耐磨层30的温度大于约550℃的情况下，热障层28也可以帮助将芯26保持在低于约350℃的温度。第一和第二热障层28中的每一个可以具有从芯26的环形表面38测量的大于或等于约0.1毫米至小于或等于约4毫米或小于或等于约2毫米的厚度。热障层28可以与芯26的环形表面38基本上共同延伸。
与芯26和第一和第二耐磨层30的热导率相比，第一和第二热障层28可以由具有相对低的热导率的热绝缘材料制成。例如，热绝缘材料的热导率可以是耐磨层30的热导率的约5-20％。热绝缘材料的热导率可以大于或等于约0.4W/m·K或约0.5W/m·K至小于或等于2W/m·K或约0.7W/m·K。热绝缘材料可以具有约1,460kg/m3的密度和约1.5kJ/kg·K的比热。
热障层28的热绝缘材料可以包括高熵合金、高熵陶瓷或它们的组合。高熵合金或陶瓷材料是无机合金或陶瓷材料，其(i)包括至少四种元素，其中每种元素基于原子以大于或等于约5％至小于或等于约35％的浓度存在于合金或陶瓷中，和/或(ii)以不含金属间相的固溶体的形式存在。高熵合金的示例包括铋和碲(Bi-Te)基材料和铋、锑、碲和硒(Bi-Sb-Te-Se)基材料，例如BiSbTe1.5Se1.5和/或(BiSbTe1.5Se1.5)1-xAgx，其中x为约0.9原子百分比。高熵陶瓷的示例包括锆酸盐(ZrxOy -z)基材料和稀土金属锆酸盐(RE2Zr2O7)基材料，其中RE是La2O3、Nd2O3、Sm2O3、Eu2O3、Gd2O3和/或Y2O3。
第一和第二耐磨层30分别设置在第一和第二热障层28上，并且分别限定制动器转子10的第一摩擦表面22和第二摩擦表面24。在各方面中，第一和第二耐磨层30可分别直接沉积在第一和第二热障层28上。第一和第二耐磨层30被构造成为制动器转子10的第一摩擦表面22和第二摩擦表面24提供高耐磨性和优异的热稳定性。例如，第一和第二耐磨层30可以被配制成在高温下(例如，在高达约1300℃的温度下)表现出优异的机械稳定性。第一和第二耐磨层30中的每一个可以具有从相邻热障层28的表面测量的大于或等于约1毫米至小于或等于约4毫米或小于或等于约3毫米的厚度。耐磨层30可以与芯26的热障层28和环形表面38基本上共同延伸。
第一和第二耐磨层30由除铁(Fe)之外还包括铝(Al)、硅(Si)和锆(Zr)的成合金元素的铁合金制成，并且因此可以称为Fe-Al-Si-Zr合金。铁合金中的铝、硅和锆的量选择成为Fe-A1-Si-Zr合金提供高强度、优异的耐磨性、抗氧化性和耐腐蚀性。按质量计，Fe-Al-Si-Zr合金可以包括大于或等于约45％至小于或等于约60％的铁、大于或等于约35％至小于或等于约45％的铝、大于或等于约1％至小于或等于约3％的锆、以及大于或等于约0.5％至小于或等于约2％的硅。在一个示例中，按质量计，Fe-Al-Si-Zr合金可以包括约59％的铁、约36％的铝、约3％的锆和约1％的硅。在Fe-Al-Si-Zr合金中，铁、铝、硅和锆可以以含FeAlSiZr的金属间颗粒的形式存在。
在一些方面中，Fe-Al-Si-Zr合金可以包括晶粒细化剂。晶粒细化剂的示例包括硼化物化合物，例如硼化(CrB)铬(III)和/或硼化钽(TaB和/或TaB2)。在晶粒细化剂包括硼化铬(III)和硼化钽的方面中，Al-Fe-Si-Zr合金中硼化铬(III)与硼化钽的质量比可以是约1∶1。按质量计，晶粒细化剂可以以大于或等于Fe-Al-Si-Zr合金的约0.05％至小于或等于约1％的量存在于Fe-Al-Si-Zr合金中。
与Al-Si合金和/或热绝缘材料的密度相比，Fe-Al-Si-Zr合金可以表现出相对高的密度。例如，Fe-Al-Si-Zr合金具有大于或等于约4800kg/m3至小于或等于约5200kg/m3的密度。在一个示例中，Fe-Al-Si-Zr合金可以具有约4990kg/m3的密度。Fe-Al-Si-Zr合金可以具有大于或等于约11W/m·K至小于或等于约13W/m·K的热导率和大于或等于约0.61kJ/kg·K至小于或等于约0.67kJ/kg·K的比热。
然而，并非有意地引入到当前公开的Al-Si合金和/或Fe-Al-Si-Zr合金的组合物中的附加元素可以以相对较小的量(例如，按质量计，以小于或等于合金的约0.1％、任选地小于或等于约0.05％或任选地小于或等于约0.01％的单独的和/或累积的量)固有地存在于合金中。这样的元素可以例如作为杂质存在于用来制备合金的原材料或废料中。在合金被称为包括一种或多种成合金元素(例如，Si)和作为余量的铝或铁的实施例中，术语“作为余量”不排除非有意地引入合金的组合物中但仍然以相对小的量(例如作为杂质)固有地存在于合金中的附加元素的存在。
现在参考图3和图4，在一些方面中，第一和第二热障层28可以被穿孔。如图3中所示，热障层28可以包括在轴向方向上延伸穿过热障层28的多个通孔40。在各方面中，通孔40可以完全穿过热障层28延伸到芯26。在这种情况下，如图4中所示，第一和第二耐磨层30可以各自包括多个锚固件42，所述多个锚固件42分别从第一和第二热障层28的外表面44延伸到热障层28中的多个通孔40中，到达芯26的环形表面38。在这种情况下，耐磨层30的Fe-Al-Si-Zr合金可以经由多个锚固件42冶金结合到芯26的Al-Si合金。
制造制动器转子10的方法可以包括以下步骤中的一个或多个。在第一步骤中，可以将Al-Si合金铸造成芯26的形状。在第二步骤中，热绝缘材料可以直接沉积在芯26的相应的环形表面38，以形成第一和第二热障层28。在一些方面中，热绝缘材料可以例如以预定的图案选择性地沉积在芯26的环形表面38上，使得所得的第一和第二热障层28被穿孔并包括多个通孔40。在第三步骤中，Fe-Al-Si-Zr合金可以沉积在第一和第二热障层28上方的芯29的环形表面上，以形成第一和第二耐磨层30。在第一和第二热障层28被穿孔的方面中，Fe-Al-Si-Zr合金可以流入多个通孔40中并形成多个锚固件42，所述多个锚固件42可以与芯26的环形表面38冶金结合。
现在参考图5，在一些方面中，热绝缘材料和Fe-Al-Si-Zr合金可以使用定向能量沉积工艺分别且顺序地沉积在芯26的环形表面38上。在定向能量沉积过程中，原料材料146通过喷嘴148沉积在芯26的环形表面38上，并且同时通过向其施加聚焦能量源150而熔融。喷嘴148和聚焦能量源150以预定图案沿着芯26的环形表面38前进，留下一层硬化的原料材料152。聚焦能量源可以是等离子弧、电子束或激光。可以将保护气体施加到围绕沉积位置的区域154，以防止或抑制不希望的副反应。原料材料可以呈线材或粉末的形式，并且可以显示具有与正在形成的层基本上相同的组合物。例如，在形成第一和第二热障层28期间，原料材料152可以具有与热绝缘材料的组合物基本上相同的组合物。同样，在形成第一和第二耐磨层30期间，原料材料152可以具有与Fe-Al-Si-Zr合金的组合物基本上相同的组合物。
为了说明和描述的目的，已经提供了实施例的前述描述。它并不旨在穷举或限制本公开。特定实施例的单个元件或特征通常不限于该实施例，而是在适用的情况下是可互换的，并且可以用在选定的实施例中，即使没有具体示出或描述。同样的情况也可能在许多方面有所不同。这些变化不应被视为偏离本公开，并且所有这些修改都旨在包括在本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种具有复合结构的制动器转子，所述制动器转子包括：
环形本体，其限定相对的摩擦表面，所述环形本体包括：
芯，其由Al-Si合金制成并包括具有环形表面的至少一个环形盘，
热障层，其由热绝缘材料制成，设置在所述芯的所述环形表面上，以及
耐磨层，其由Fe-Al-Si-Zr合金制成，设置在所述热障层上方的所述芯的所述环形表面上，所述耐磨层限定所述环形本体的所述相对的摩擦表面中的第一个。
2.根据权利要求1所述的制动器转子，其中，所述Al-Si合金是过共晶合金，按质量计，所述过共晶合金包括大于或等于约80％至小于或等于约87％的铝和大于或等于约13％至小于或等于约20％的硅。
3.根据权利要求2所述的制动器转子，其中，按质量计，所述Al-Si合金包括大于或等于约10％至小于或等于约20％的碳化硅。
4.根据权利要求1所述的制动器转子，其中，所述芯具有大于或等于约2600千克/立方米至小于或等于约2700千克/立方米的密度和大于或等于约9毫米至小于或等于约36毫米的厚度。
5.根据权利要求1所述的制动器转子，其中，所述热绝缘材料包括高熵合金、高熵陶瓷或它们的组合。
6.根据权利要求1所述的制动器转子，其中，所述热绝缘材料具有大于或等于约0.4瓦/米·开尔文至小于或等于2瓦/米·开尔文的热导率。
7.根据权利要求1所述的制动器转子，其中，按质量计，所述Fe-Al-Si-Zr合金包括大于或等于约45％至小于或等于约60％的铁、大于或等于约35％至小于或等于约45％的铝、大于或等于约1％至小于或等于约3％的锆、以及大于或等于约0.5％至小于或等于约2％的硅。
8.根据权利要求1所述的制动器转子，其中，按质量计，所述Fe-Al-Si-Zr合金包括大于或等于所述Fe-Al-Si-Zr合金的约0.05％至小于或等于约1％的量的晶粒细化剂，并且其中，所述晶粒细化剂包括硼化铬(III)和硼化钽中的至少一种。
9.一种制动器转子，包括：
环形本体，其限定相对的第一和第二摩擦表面，所述环形本体包括：
芯，其由Al-Si合金制成并包括通过多个肋在轴向方向上彼此间隔开的一对第一和第二环形盘，所述第一和第二环形盘中的每一个具有环形表面，
第一和第二热障层，其由热绝缘材料制成，并且分别设置在所述芯的所述第一和第二环形盘的所述环形表面上，以及
第一和第二耐磨层，其由Fe-Al-Si-Zr合金制成，并且分别设置在所述第一和第二热障层上方的所述第一和第二环形盘的所述环形表面上，所述第一和第二耐磨层分别限定所述环形本体的所述相对的第一和第二摩擦表面。
10.一种制造制动器转子的方法，所述方法包括：
将Al-Si合金铸造成转子芯的形状，所述转子芯包括具有环形表面的至少一个环形盘；
将热绝缘材料直接沉积在所述转子芯的所述环形表面上，以形成热障层；以及
将Fe-Al-Si-Zr合金沉积在所述热障层上方的所述转子芯的所述环形表面上，以形成耐磨层。
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