1、第29卷第2期2008年4月熱處理技術與裝備RECHULIJISHUYUZHUANGBEIVol.29,No.2Apr.,2008綜述快速凝固/粉末冶金高硅鋁合金的研究進展俞佳,姚繼蓬,酈劍(浙江大學金屬材料研究所,浙江杭州310027)摘要:利用快速凝固/粉末冶金技術制備過共晶Al2Si合金可大幅度提高合金性能,該類合金在汽車、航空航天和電子工業等諸多行業中具有廣泛的應用前景。本文主要對快速凝固/鋁合金材料的成分、組織結構特點,制備工藝,。關鍵詞:快速凝固/粉末冶金;高硅鋁合金中圖分類號:TG115文獻標識碼:A:-4971()ofHighSi-AlAlloysbyidification/P

2、owderMetallurgicalTechnologyYUJia,YAOJi2peng,LIJian(InstituteofMetals,ZhejiangUniversity,HangzhouZhejiang310027,China)Abstract:Rapidsolidification/powdermetallurgical(RS/PM)techniqueisoneofthemosteffectivewaystoimprovetheperformanceofhighsilicon-aluminumalloys.HenceRS/PMhighsilicon-aluminumal2loyspo

3、ssessesgreatpotentialappliedincarindustry,aviationandspaceflightfields,electronindustryandsoon.ThispapergivesaprogressreviewofRS/PMhighsilicon-aluminumalloysresearchintermsofitscomposition,microstructure,procession,performancesandapplications.Keywords:rapidsolidification/powdermetallurgy;highsilicon

4、-aluminumalloy0前言的。采用傳統的變質處理、合金化及精密鑄造等工藝不能從根本上改變其組織粗大的缺點。利用快速26凝固技術(冷卻速度達1010/s)制備Al2Si合過共晶鋁硅合金具有優異的耐磨性、低的熱膨脹系數以及優良的鑄造性能和焊接性能,可用以制作高質量內燃機活塞1,2。隨著現代電子技術的發金,可顯著改善合金顯微組織、減少偏析、提高合金固溶度等5展,新型Al2Si電子封裝材料因其質量輕(比重<333×10kg/m)、熱導率高、無環境污染、成本低廉等特,使合金性能得以大幅度提高。目前,研6究較多的快速凝固工藝有霧化法和噴霧沉積兩大類,其中以霧化法的研究居多固/粉末冶

5、金技術(RS/PM)。1快速凝固/粉末冶金高硅鋁合金的制備征而成為關注重點3。傳統的鋁硅合金主要采用熔4。霧化法需要與粉鑄法制備,所獲得材料的顯微組織,具有共晶硅相呈粗針片狀,初晶硅相呈粗大的塊狀的特點。粗大的組織特性使材料的力學性能及加工性能均較差,而且Si含量的提高會使這一問題更為突出,但提高合金的過共晶Si含量對提高材料的應用性能是有利收稿日期:2007-09-14末冶金技術相結合才能制備大塊體材料,即快速凝合金快速凝固技術問世于20世紀60年代。所作者簡介:俞佳(1982-),女,碩士研究生,從事金屬納米粉體和固體堿催化劑的研究E-mail:metal第2期俞佳等:快速凝固/粉末冶金高

6、硅鋁合金的研究進展5謂快速凝固,即由液相到固相的冷卻速度相當快。實質上,就是通過急冷來實現大的過冷度,冷卻后獲得亞穩的過飽和固溶體以至非晶態合金,使之具有傳統鑄件或鑄錠所不能獲得的成分組成、相結構或顯微組織6固/粉末冶金技術制備出Si含量(質量百分數)高達30%40%的Al2Si合金11,12。采用傳統鑄造方法制備的Al2Si合金的Si含量最高只能達到25%左右。與傳統制備工藝相比,過共晶Al2Si合金的快速凝固/粉末冶金技術具有以下優勢:(1)顯著細化初生Si相尺寸并改善其分布狀。將粉末冶金技術與快速凝固技術相結合,遂發展成為快速凝固/粉末冶金技術(RS/PM)。RS/PM的一般工藝流程為:

7、配料合金熔融霧化制粉粉末過篩粉末預壓真空除氣粉末固結熱處理機加工成品5況。因為隨著過冷度增大,臨界晶核半徑減小,體積自由能變化增大,結晶過程中的驅動力增加,有利于形核。,從而細相13。快速凝固/粉末冶金法制備鋁合金的研究始于20世紀70年代,。研究一直非?；钴S7。-l2Si。利用快速點,l高,使致密化過程中合金元素的相互擴散受到阻礙,難以形成冶金粘結8凝固能顯著提高合金元素固溶度的特點,在過共晶Al2Si系合金的基礎上加入其他合金元素,有針對性地提高合金性能。2快速凝固/粉末冶金鋁硅合金的顯微組織和性能特2.1顯微組織,因此需要采用一些特殊的致密化工藝,如粉末熱擠壓、粉末鍛造、熱等靜壓等。其中

8、,粉末熱擠壓由于具有優異的使生坯產生大塑性變形并得到全致密材料的能力,因而是快速凝固過共晶Al2Si合金致密化的主要手段8,9快速凝固/粉末冶金技術比常規的鑄造方法有更快的冷卻速度和更大的過冷度,合金熔體凝固過程中可以萌生出更多的晶核且生長時間很短,從而使初晶硅非常細小,硅相大小大多在210m,且分布彌散均勻,與基體結合良好13。文獻9通過分析Al228Si21Cu21Fe合金粉末在熱擠壓過程中的密度、微觀組織和相結構的變化情況,對粉末熱擠壓成形機理進行了探討。結果表明:快速凝固高硅鋁合金粉末熱擠壓可以分為兩個階段:填充擠壓階段和穩態流動階段。粉末生坯的致密化主要是在第一個階段完成的。生坯密度

9、對最終擠壓材料的密度影響很小,合金的相組成、結構特征在擠壓后基本得以保留,粉末顆粒沒有明顯的粗化。文獻8報道了采用快速凝固/粉末冶金工藝制備了Si質量分數分別為30%和40%的過共晶鋁硅合金。文獻14,15研究了粉末特征對合金性能的影響。文獻14分析了用超音速氣體霧化法制備的A1217Si26Fe24.5Cu20.5Mg合金粉末。結果發現:制備的粉末形貌呈不規則液滴狀,少數顆粒呈球形或類球形。粉末顆粒的形貌與其尺寸有很大關系,粉末顆粒尺寸越大,其形狀越不規則,表面越凹凸不平,且存在許多空洞。隨著粉末尺寸的減小,其形狀變得相對規整,空洞變為凹坑并逐漸消失。文獻15采用空氣霧化水冷與真空包套熱擠壓

10、工藝相結合的方法,制備了Al240Si高硅鋁合金,分析發現,原始粉末顆粒越細,則經熱擠壓后所獲得的高硅鋁合金材料的硅就相對細小一些。2.2強度和拉伸性能材料。結果表明:當Si質量分數一定時,制得的材料的密度、熱導率及熱膨脹系數均隨擠壓溫度的上升而升高。鋁硅合金粉末含有大量的初晶硅顆粒,導致材料塑性較差、對模具的磨損嚴重,所以在成形過程中需要采用包套封裝技術10。采用包套封裝可使難以壓制成形的粉末預成形為生坯。正確選擇包套材料可以改善生坯與模壁的潤滑狀況并促進金屬流動、保護模具等。隨著制備技術的改進,已有研究者利用快速凝快速凝固/粉末冶金Al2Si合金因其獨特的組織特征,故強度明顯高于傳統鑄造A

11、l2Si合金,同時伸長率也有一定程度的改善。對于Al2Si合金,影響其力學性能的主要因素是粗晶硅顆粒的多少和大小,6熱處理技術與裝備第29卷在硅含量相當的情況下,其抗拉強度與Si相平均尺寸成反比16制造汽車發動機閥門彈簧座和連桿,以Al214.5Si23Cu20.4Mg24.5Fe22.1Mn和Al217.5Si22.3Cu20.4Mg24.5Fe22.0Mn合金為材料,相應構件的重量分別減。用快速凝固/粉末冶金法所制備之材料力學的性能比較優異。因為其初晶硅顆粒相對細小,分布彌散均勻;另外,霧化粉末時表面形成的氧化膜破裂后的氧化物彌散分布于鋁合金基體中,起到彌散強化的作用;在鋁硅合金中作為第二

12、相的初晶硅棱角鈍化,不易成為裂紋源。2.3熱膨脹性輕60%和30%,大幅度提高了發動機的轉速20。住友電工公司利用RS/PM技術制備Al2Si2X(X表示Fe、Ni或Fe、Cu、Mg等)系高硅鋁合金代替燒結鋼,大批量制造汽車空調壓縮機轉子和葉片,轉子重量減輕60%,整機減重40%,提高了機器的工作效率21低的熱膨脹性也是快速凝固/粉末冶金高硅鋁合金的主要性能特征之一。純Al的熱膨脹系數高達23.6×107.2)×10-6-6。、以及高與金,與基材可焊,易,符合電子封裝技術朝小型化、輕量化和高密度組裝化方向發展的要求,因而高硅鋁合金用作新型電子封裝材料的前景已日漸被人們所認識

13、。英國OspreyMetalsLtd.、法國Alca2telEspace、荷蘭TNO等利用噴射成形技術共同開發/,而Si的熱膨脹系數僅為(2.8/。因此,快速凝固/快速凝固/中Si,即合金熱膨脹系數隨Si含量增加(或Si相體積分數增加)呈線性下降趨勢。文獻17通過實驗發現,愈是細小、分布均勻的Si相顆粒和近球形粒子都能降低高硅鋁合金材料的熱膨脹系數。熱成型溫度對材料熱膨脹性能影響明顯。2.4耐磨性了Si含量(質量分數)高達70%的Si2Al合金,性能參數適當,可用于微波線路、光電轉換器、能源IC封裝和集成線路的封裝等4結論22。高耐磨性是快速凝固/粉末冶金高硅鋁合金最主要的性能特征之一。因此,

14、通常也把快速凝固/粉末冶金高硅鋁合金稱為快速凝固耐磨鋁合金。文獻18對RS/PM制備的Al2Si合金在干摩擦條件下的摩擦磨損特性進行了研究并與傳統的耐磨鋁合金ZL109作了對比。結果表明,RS/PM制備的Al2Si合金表現出更好的耐磨性及減摩性。干摩擦快速凝固/粉末冶金高硅鋁合金作為一種新型高性能結構材料,具有廣泛的應用前景。國內外均開展了這一領域的研究工作。目前,國內研究已有一定進展,但還不夠深入,而應用尤為欠缺,有待于今后加大研究力度,盡快實現這種高性能結構材料在我國國民生產中的應用。參考文獻條件下RS/PM技術制備Al2Si合金的磨損以氧化磨損為主,同時有一定的磨料磨損和粘著磨損的特點,

15、而ZL109合金的磨損則主要表現為粘著和塑性剝離磨損機制。文獻19研究了Al2(1545)%Si合金的耐磨性。發現,隨Si含量增加,合金磨損量減少,耐磨性提高。Al245%Si相對于Al215%Si磨損量下降50%以上。3快速凝固/粉末冶金高硅鋁合金的應用及展望RS/PM技術制備Al2Si合金目前主要應用于制1BentzH.W.,WhitacreJ.Pistonsforthe90sJ.AutomotiveEngineering,1992,100:13.2MondolfoL.F.王祝堂譯.鋁合金的組織與性能M.北京:冶金工業出版社,1989,684.3蔡楊,鄭子樵,李世晨.輕質Si-A1電子封裝

16、材料制備工藝的研究J.粉末冶金技術,2004,22(3):168.4ZhouJ.,JuszacykJ.FractureFeaturesofaSilicon-dispersedAluminumAlloyExtrudedfromRapidlySolidi2fiedPowderJ.J.Mater.Sci.,1990,25:541.5謝壯德,沈軍等.快速凝固鋁硅合金的制備、組織特征造汽車發動機和空調壓縮機的零配件、活塞等。日本在上世紀八十年代就開始利用RS/PM技術制備及斷裂行為J.粉末冶金技術,2000,18(2):111.6王祝堂.鋁材及其表面處理手冊M.江蘇:科學技術第2期俞佳等:快速凝固/粉末

17、冶金高硅鋁合金的研究進展7出版社,1991,57.7BunkW.G.AluminiumR.S.MetallurgyJ.Materi2alsSciencesandEngineering,1991,A134:1087.8楊伏良,甘衛平等.擠壓溫度對高硅鋁合金材料物理性16YamauchiI.,OhnakaI.,KawamotoS.HotextrusionofsolidifiedAl2Sialloypowderbytherotating2water2at2omizationprocessJ.Trans.JapanInst.Metal,1986,27:195.17張偉,楊伏良,甘衛平,等.電子封裝用高

18、硅鋁合金熱能的影響J.機械工程學報,2006,42(6):7.9張大童,李元元,羅宗強.快速凝固高硅鋁合金粉末的膨脹性能的研究J.材料導報,2006,20:348.18謝壯德,沈軍,孫劍飛,等.快速凝固Al-Si合金干摩熱擠壓過程J.中國有色金屬學報,2001,11(1):6.10RobertsP.R.,FergusonB.L.ExtrusionofMetalPowdersJ.(2):62.11楊伏良,甘衛平,陳招科.硅含量對高硅鋁合金材料組InternationalMaterialsReviews,1991,36擦條件下的磨損特性J.材料工程,2002,10:7.19邱光漢.粉末熱鍛Al-S

19、i合金.中國有色金屬學報,6(2):117.SplloyFindsEngineJ.,(1):26.T.Y.Takeda,K.Akechi.RotaryCarCondi2tionerMadewithPMAl-SiWroughtAlloyPartsJ.MetalPowderReport,1991,2:23.22SanghaS.P.S.NovelAluminumSiliconAlloysforE2lectronicspackagingJ.JournalofEngineeringScienceandEducation,1997,(11):195.織及性能的影響J.材料導報,2005,19(2):98.

20、12楊伏良,張偉,.A1-(:13張大童,等.研究進展J.輕合金加工技術2001,29(2):1.14謝壯德,等.氣體霧化高硅鋁合金粉末形貌特征及尺寸分布J.特種鑄造及有色合金,2003,1:10.15楊伏良,等.粉末粒度對高硅鋁合金材料組織及性能的影響J.材料科學與工程,2006,14(3):268.(上接第3頁)16DuanG.,WangH.M.High2temperaturewearresist2anceofalaser2clad/Cr3Simetalsilicidecompositecoating.ScriptaMaterialia,2002,46:107-111.17孫榮祿,楊賢金.激光熔覆原位合成TiC2TiB/Ni基金21裴宇韜.激光熔覆TiCP/Ni合金自生梯度涂層及其自生長機制J.金屬學報,1998,34(9):987-991.22黃家勝,石世宏,孫承峰.大功率激光