一种高体积分数硅颗粒增强铝基复合材料的制备工艺

摘要

本发明涉及一种高体积分数硅颗粒增强铝基复合材料的制备工艺，其特征在于：采用灵活实用的粉末冶金工艺制备出Si颗粒体分为50vol.％～80vol.％、完全致密、组织细小均匀的Si/Al复合材料大尺寸坯锭。所制备复合材料具有优异的综合性能。具体工艺步骤为：将预制合金铝粉与纯硅粉按照质量比1∶0.86～2.1均匀混合制成复合粉末；将混合粉末冷压成型，冷压坯相对致密度为50％～80％；将冷压坯在略高于基体合金固相线的温度致密化，制成完全致密的坯锭；采用车削、电火花切割等方法将热压锭加工成标准圆柱或其他形状坯锭，以备运输、性能测试或进一步机加工。

说明书

技术领域

本发明涉及颗粒增强金属基复合材料技术领域；特别涉及一种高体积分数硅颗粒增强铝基复合材料的制备工艺。

背景技术

颗粒增强铝基复合材料具有高比强度、高比刚度、低膨胀、高导热、抗疲劳、各向同性等优异的综合性能，且颗粒增强体成本低、制造工艺简单价廉。经过过去30年的发展，该类材料已经在航空航天、汽车及微电子等领域获得规模应用，有望成为继铝合金和钛合金后的另一种新型结构材料。硅的密度(2.33g/cm³)比铝合金低14％，它具有极低的膨胀系数、高导热率、高刚度，且加工性能好于陶瓷，硅颗粒增强铝基复合材料(Si/Al)是最新发展起来的一种轻质的先进材料，由于铝硅之间具有良好的润湿性，无界面反应，复合材料能够很好地发挥出增强体和基体的特性，因此可在大范围内调控Si的含量来制出结构-功能一体化、成型性好、机加工性能良好的Si/Al复合材料。

高体积分数Si/Al复合材料(Si含量不低于50vol％)具有低膨胀、高导热、高刚度、易加工的综合优势，有望替代高体分SiC/Al复合材料作为微电子封装的应用，同时可通过高精密机加工制出具有复杂形状的大尺寸功能/结构部件，在不损失性能的同时可大大降低零部件自重，以期满足航空航天关键领域的特殊应用。

高体分硅颗粒增强复合材料主要采用液相浸渗法(200410043855，200510024032)和喷射沉积法(200410039057)制得，尽管液相法可制出致密均匀的复合材料零部件，但由于颗粒尺寸过大(50～150μm)，致使材料的力学性能和机加工性能差；同时由于硅可固溶于铝中，在液相环境中颗粒体分与形貌、复合材料界面难以控制。而采用喷射沉积法制备的高体分Si/Al不致密，且无法制得大尺寸坯锭。因此必须开发出一种适合于制备组织细小均匀、综合性能优异、大尺寸、高体分Si/Al复合材料的工艺。

发明内容

本发明的目的在于实现一类高致密、组织细小均匀的高体分Si/Al复合材料的工艺。

本发明的上述目的是通过以下技术方案达到的：

一种高体分Si/Al颗粒增强复合材料的制备工艺，包括以下步骤：

一种高体分Si/Al颗粒增强复合材料的制备工艺，是采用粉末冶金工艺制备Si含量为50vol.％～80vol.％，Al或Al合金含量为20vol.％～50vol.％的复合材料坯锭，具体实施步骤为：

(1)将预制的纯铝粉或合金铝粉与经过表面处理的硅粉按照纯铝粉或合金铝粉与纯硅粉的质量比1∶0.86～2.1均匀混合制成复合粉末，以使硅颗粒的体积分数为50vol.％～80vol.％；

(2)将混合粉末装入金属模具中进行冷压成型，或者将混合粉末封装于胶皮包套中进行冷等静压成型；

(3)将冷压成型或冷等静压成型的坯锭装入钢模具中热压致密化，得到高体分Si/Al颗粒增强复合材料；或者将冷压成型或冷等静压成型的坯锭封装入金属包套中进行高温除气处理，将封装并除气后的坯锭进行热等静压致密化，得到高体分Si/Al颗粒增强复合材料。

在本发明的高体分Si/Al颗粒增强复合材料的制备工艺中，在所述的步骤(2)中，将混合粉末冷压或装入包套冷等静压成型，冷压压力为90～150MPa，冷压坯相对致密度为50％～80％，冷压时间为10～30分钟。

在本发明的高体分Si/Al颗粒增强复合材料的制备工艺中，在所述的步骤(3)中，将冷压成型或冷等静压成型的坯锭封装入金属包套中进行高温除气处理，除气温略高于铝合金固相线，可在505℃～600℃范围内选择，根据不同尺寸的坯锭，除气时间为1～30小时。除气的目的在于去除粉末表面吸附的水汽。

在本发明的高体分Si/Al颗粒增强复合材料的制备工艺中，在所述的步骤(3)中，高温加压致密化，将封装并除气的坯锭加热至铝合金固相线以上温度进行，温度可在505℃～600℃范围内选择，保压压力为75～150MPa，在此温度压力下保持1～3小时，然后随炉冷却至室温；(5)采用车削等方法将热压锭加工成圆柱或其他形状坯锭，以备性能测试或进一步机加工。

在本发明的高体分Si/Al颗粒增强复合材料的制备工艺中，所制得的复合材料中Si颗粒的体积分数为50vol.％～80vol.％，铝或铝合金的体积分数为20vol.％～50vol.％。

在本发明的高体分Si/Al颗粒增强复合材料的制备工艺中，所制得的复合材料具有细小均匀的组织和完全致密；Si颗粒弥散分布于铝基体中，Si颗粒的粒径为3～25μm。

一种优选的技术方案，其特征在于：铝基体可以是纯铝或2xxx系列铝合金的任意一种；采用雾化制粉法制成，粉末粒度为-325目，d_0.5为23.647μm(即超过50wt.％的颗粒粒径小于此尺寸)。

在本发明的高体分Si/Al颗粒增强复合材料的制备工艺中，步骤(1)中所使用的未经表面处理的Si粉，其粒度分布为0.3～18μm，d_0.5为4.372μm。

一种优选的技术方案，其特征在于：根据需求采用特定的处理工艺在Si颗粒表面涂覆一层金属(Cu或Ni)、陶瓷(SiO₂或Si₃N₄)或其他薄膜或涂层的任意一种，以保证Si颗粒在铝合金中的稳定性。薄膜或涂层的厚度为10纳米～50纳米，涂覆后的Si颗粒在热压过程中没有发生长大。对Si粉进行表面处理的工艺是采用电镀、化学气相沉积、高温氧化和高温氮化工艺中的任意一种，高温氧化和高温氮化温度均为750℃～950℃。

一种优选的技术方案，其特征在于：通过以下几种工艺中的任意一种对混合粉末进行高温致密化。(1)将混合粉末装于金属模具中在室温压制形成相对致密度为50％～80％的坯锭，冷压压力为90～150MPa，然后将坯锭在真空中或惰性气体保护下热压形成完全致密的复合材料坯锭，热压温度应高于所选用铝合金的固相线，可在505℃～600℃范围内选择，压力为75～150MPa，保温时间为1～3小时；(2)将混合粉末冷等静压制成相对致密度为50％～80％的坯锭，将坯锭封装于金属包套中进行高温除气处理，除气温度可在505℃～600℃范围内选择，根据坯锭尺寸不同除气时间可在1～30小时内选择。将除气后的冷压坯锭通过热等静压制得完全致密的复合材料坯锭，热等静压温度可在505℃～600℃范围内选择，压力为150MPa，保温保压时间为1～3小时。在此技术方案中，通过调整模具或包套尺寸，可制得直径为40～500mm、高度为40～1000mm的Si/Al复合材料坯锭。

一种优选的技术方案，其特征在于：选用纯铝、不锈钢、20#钢和Q235钢中的任意一种作为热等静压包套材料；包套厚度为0.6～3.5mm。

上述技术方案的主要特征在于：(1)采用粉末冶金工艺，可在整个成分范围内准确控制Si颗粒的含量；(2)对Si粉进行了预处理，在颗粒表面形成一层涂覆层，可有效抑制高温致密化过程中Si在铝合金中的固溶和重析出，以及Si颗粒的聚集长大，不仅提高了复合材料的热稳定性，而且改善了加工性能；(3)适用于制备组织细小均匀、大尺寸、高体分Si/Al复合材料坯锭。

采用上述技术方案制备的Si/Al复合材料具有以下特征：Si颗粒的体积分数为50vol％～80vol％；Si颗粒的尺寸为3μm～25μm；Si颗粒分散均匀，如图1所示；坯锭完全致密；坯锭可以采用车、铣、钻、磨以及电火花切割等常规加工手段进行加工。

本发明中用来制备高体分Si/Al复合材料的粉末冶金方法为典型的固相工艺，工艺路线灵活多用，可控性强，可在很大范围内对复合材料的结构性能进行设计制造，是研制大尺寸、复杂结构、高性能Si/Al颗粒增强复合材料最具竞争力的工艺。

本发明所制备的高体分Si/Al复合材料具有优异的综合性能。其热物性与喷射成型及液相浸渗法制备的相同成分Si/Al相当，但强度、断裂韧性有明显提高。此外，复合材料经高精度机加工后表面粗糙度小于20纳米。可作为航空航天高性能结构/功能一体化材料、电子封装材料等应用

下面通过具体实施方式和附图对本发明做进一步说明，但不意味着对本发明保护范围的限制。

附图说明

图1：70vol.％Si/Al复合材料代表性的光学显微照片。

图2：高体分Si/Al颗粒增强复合材料的制备工艺流程图。

图3：50vol.％Si/Al复合材料代表性的光学显微照片。

具体实施方式

实施例1

本实施例所制备的复合材料为70vol.％Si/Al(即Si的含量为70vol.％；2024合金的含量为30vol.％)；其制备方法采用如下技术方案：(1)将粒度为-325目的雾化合金铝粉与表面处理后的硅粉按照质量比1∶2.01均匀混合，铝合金粉为2024合金粉，铝粉的d_0.5为23.647μm，即超过50wt.％的粉末粒径小于此尺寸，Si粉的粒径为0.3～18μm，d_0.5为4.372μm，Si粉的表面处理方式是通过高温氧化在Si粉表面形成一层10纳米～50纳米厚度的SiO₂薄膜，高温氧化温度为750℃，处理后Si粉的平均粒径d_0.5为4.397μm；(2)将混合粉末装入直径为40mm的金属模具中冷压成型，冷压压力为95MPa，冷压时间为15分钟，冷压坯锭的相对致密度为73％；(3)将冷压坯锭装入相同直径的钢模具中，并在粗坯上下分别垫一层石墨片作为润滑剂，将坯料装入炉中热压致密化，热压温度为595℃，热压温度比2024合金粉固相线508℃高87℃，压力为126.25MPa，保温保压时间为3小时。

热压锭的密度超过理论密度，热压锭尺寸为φ39mm×50mm。已制得复合材料的光学显微照片如图1所示，其中，Si颗粒(图中深色区域)分散均匀，颗粒尺寸分布在3～19μm范围内。

采用该技术方案制备的复合材料经T4热处理后的性能见表1。

表1.70vol.％Si/Al复合材料的性能

实施例2

本实施例所制备的复合材料为50vol.％Si/Al(即Si的含量为50vol.％；2024合金的含量为50vol.％)。制备工艺流程图如图2所示；如图2所示，将雾化合金铝粉与表面处理后的硅粉进行混合，粉末均匀混合后，再进行粉末封装和冷等静压成型，再经高温除气和热等静压致密化，制成高体分Si/Al颗粒增强复合材料。其技术方案详述如下：(1)将预制的合金铝粉与表面处理后的硅粉按照质量比1∶0.86均匀混合，铝合金粉为2024合金粉，为粒度为-325目的雾化合金铝粉，铝粉的d_0.5为23.647μm，即超过50wt.％的粉末粒径小于此尺寸，Si粉的粒径为0.3～18μm，d_0.5为4.372μm，Si粉的表面处理方式是通过化学镀在Si粉表面形成一层10～50纳米厚度的Cu薄膜，处理后Si粉的平均粒径d_0.5为4.401μm；(2)将混合粉末装入尺寸为φ500mm×500mm的胶皮包套中冷等静压成型，压力为150MPa，保压时间为20分钟，冷压坯相对致密度为70.1％；(3)将冷压坯锭除去胶皮包套，装入尺寸为φ490mm×440mm的纯铝包套中进行高温除气处理，除气温度为575℃，除气时间为30小时，纯铝包套的厚度为3.5mm；(4)热等静压致密化，热等静压温度为575℃，比2024合金的固相线温度508℃高67℃，压力为150MPa，在此温度和压力下保持2小时，然后随炉冷却至室温。

热压锭的密度超过理论密度，热压锭经简单机加工后表面光洁，其外形尺寸为φ400mm×390mm。复合材料光学显微照片如图3所示(图中深色区域为Si，浅色区域为铝基体)，其中，Si颗粒分散均匀，颗粒尺寸分布在3～25μm范围内。

采用该技术方案制备的复合材料经T4热处理后的性能见表2。

表2.50vol.％Si/Al复合材料的性能