高硅鋁合金粉末制備工藝及其綜合性能分析

黃秋良，霍冬亮，疏 敏，劉 鵬

（內(nèi)蒙古旭陽新材料有限公司，內(nèi)蒙古 霍林郭勒 029200）

0 引言

隨著現(xiàn)代化社會(huì)的不斷發(fā)展，世界能源極度緊缺，導(dǎo)致各種資源價(jià)格上漲，同時(shí)還引發(fā)了大量環(huán)境問題[1]。鋁合金材料具有較高的強(qiáng)度和抗腐蝕性，同時(shí)，還能夠持續(xù)進(jìn)行散熱，性能良好。目前，大部分的設(shè)備零件以鋼鐵材料為主，運(yùn)用傳統(tǒng)制備方法難以有效制備鋁合金粉末。由于傳統(tǒng)方法沒有合適的制備燒結(jié)規(guī)劃，選擇的制備材料緊密度較低，制備過程中材料熱導(dǎo)率下降，空隙率提升難以達(dá)到預(yù)期效果。因此，本文對(duì)高硅鋁合金粉末制備工藝進(jìn)行研究，深入分析綜合性能，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 材料部分

設(shè)定研究對(duì)象為Al-30%Si 體系。實(shí)驗(yàn)所使用的初始材料純度為99.2%、3～10 μm 粒度的硅粉。純Si的相對(duì)分子質(zhì)量為32，密度為4 g/cm3，熔點(diǎn)和沸點(diǎn)均較高。硅粉顆粒通常為不規(guī)則四邊形，也存在一小部分塊狀物。鋁粉純度約為95.3%，15～21 μm 粒度，鋁粉顆粒大多數(shù)為球形或類似圓形。純Al 的相對(duì)分子質(zhì)量為30，密度為3.1 g/cm3。碳納米管粉末長度為5～20 μm，碳納米管一般為長度較長的管狀類型。Si管形狀不規(guī)整，多見棱角分明的形狀。將不同組選擇好的原始材料按照設(shè)定的比例進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁旌虾蟮玫綄?shí)驗(yàn)所用的材料[2]。實(shí)驗(yàn)設(shè)備有：1 臺(tái)行星式球磨機(jī)、1 臺(tái)DF-2 集熱式恒溫磁力攪拌器和1 臺(tái)循環(huán)水式多用真空設(shè)備，實(shí)驗(yàn)所用到的電爐和真空電爐均符合標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，還需配備DTR333 測試分析儀和天平。

1.2 澆筑工藝

要想獲得較好性能的復(fù)合材料，關(guān)鍵是要先制備出高性能的骨架預(yù)制件[3]。由于溫度提升時(shí)，烙液的吸氣程度、氧化程度會(huì)提升，這將會(huì)影響合金烙煉的質(zhì)量，造成一定的損失。為預(yù)防鑄件晶粒粗大，在制作時(shí)產(chǎn)生裂紋、出現(xiàn)大量空隙，發(fā)生疏松現(xiàn)象，鉛鑄件通常選用較低的澆筑溫度，為合金液相線溫度的10 倍左右。澆筑溫度對(duì)鑄造初態(tài)硅的大小、狀態(tài)及分布存在一定影響。初態(tài)硅的含量會(huì)根據(jù)鑄型濕度的變化而發(fā)生改變。隨著澆筑溫度不斷增加形成多種變化形式。Al-20%Si 最適合鑄型的溫度為120 ℃。不同含量的澆筑溫度均有不同。CuP14 合金對(duì)高硅鉛合金中的初態(tài)硅有變質(zhì)作用。變質(zhì)后，材料中初態(tài)硅的數(shù)量隨之增加。在原料表面加入碳，最終獲得不同體積和孔徑大小的試驗(yàn)樣本材料，再在這個(gè)樣品的基礎(chǔ)上加入鋁硅合金。在合金的烙煉過程中，添加適量的變質(zhì)劑，能夠改善制備目標(biāo)的狀態(tài)、大小和分布。經(jīng)過固態(tài)擴(kuò)散處理后，高硅鉛合金的組織形態(tài)發(fā)生變化，減少了長針狀共晶體出現(xiàn)顆粒化的現(xiàn)象。為獲得更為理想的材料，需要進(jìn)行較長時(shí)間的保溫處理。

1.3 冶金法燒制粉末

運(yùn)用液相燒結(jié)可加強(qiáng)原料的緊實(shí)度，使顆粒進(jìn)行重新排列，補(bǔ)充液體的相對(duì)間隙[4]。在進(jìn)行燒結(jié)時(shí)，正常的潤濕角通常小于90°。固體在液體里面存在溶解度，但液體在固體中的溶解度較低，通過燒結(jié)，可提升溶解效果。選擇合適的液相體積分?jǐn)?shù)，在正常情況下的冷卻階段里，全部將固相的顆粒間隙填充完整，控制在15%～60%中。

為了獲得致密度更高的Al-Si 復(fù)合材料，實(shí)驗(yàn)采用液相燒結(jié)的方式制備Al-Si 復(fù)合材料。當(dāng)液相對(duì)固相是相對(duì)潤濕的條件時(shí)，潤濕角＜90°。當(dāng)液相對(duì)固相不潤濕時(shí)，潤濕角＞90°。液相對(duì)固相完全潤濕時(shí)，潤濕角＝0°。當(dāng)液相對(duì)固相完全不潤濕時(shí)，潤濕角＝180°。良好的潤濕性對(duì)液相固結(jié)具有較好的促進(jìn)作用[5]。在平衡條件下計(jì)算潤濕性，公式為：

式中：γs為固相表面張力；γg為液相表面張力；γsg為固液之間的界面張力；θ 為潤濕角。當(dāng)Al 液相與Si 固相接觸時(shí)，液固兩相接觸面有擴(kuò)大的趨勢，表示為浸潤現(xiàn)象。當(dāng)液相接觸固相，接觸面有縮小的趨勢，表示為不浸潤現(xiàn)象。液相和固相之間的接觸面越大，液相越能更好地填充固相顆粒間的空隙，燒結(jié)效果更好，材料的相對(duì)密度更高。因此，當(dāng)液相對(duì)固相浸潤時(shí)，即：潤濕角θ＜90°，液相才能浸入固相顆粒的空隙，甚至晶粒間隙。液相潤濕固相平衡圖如圖1 所示。

圖1 液相潤濕固相平衡圖

當(dāng)cos θ＜0 時(shí)，液相才能潤濕固相。因此，減小潤濕角θ，將增大液相表面，對(duì)潤濕有利。運(yùn)用FR-33 型高能臥式轉(zhuǎn)子球磨機(jī)快速撞擊目標(biāo)，用撞擊產(chǎn)生的能量進(jìn)行研磨，將分散的粉末整合。為了準(zhǔn)確分析研磨過程中粉末的結(jié)構(gòu)與相組織變化，在氬氣保護(hù)下，選擇不同的材料比進(jìn)行配制。設(shè)定不同轉(zhuǎn)速與研磨時(shí)間，通常為1～6 h。研磨合金粉末，并對(duì)其組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行SEM衍射檢驗(yàn)與分析。同時(shí)，對(duì)粉末進(jìn)行包套，材料選擇強(qiáng)度高、塑性強(qiáng)的5725 鋁合金，包裝好粉末后蓋上并焊合。運(yùn)用機(jī)械設(shè)備進(jìn)行振實(shí)，并用細(xì)密銅網(wǎng)填充，避免排氣過程中有粉末從導(dǎo)管內(nèi)被吸走。粉末包套真空除氣設(shè)備一般由真空擴(kuò)散設(shè)備和電阻加熱器組成[6]。將粉末導(dǎo)入包套以后，將包套與真空擴(kuò)散裝置進(jìn)行連接，運(yùn)用擴(kuò)散設(shè)備對(duì)包套內(nèi)粉體進(jìn)行疏通，通過減少在粉末表面存在的液體實(shí)現(xiàn)分解，并經(jīng)過擴(kuò)散設(shè)備完成排出。

2 綜合性能分析

對(duì)粉末制備過程中的綜合性能進(jìn)行分析，探究燒結(jié)溫度對(duì)性能產(chǎn)生的影響。根據(jù)高鋁硅合金制備試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行材料性能分析，繪制兩種不同的燒結(jié)升溫曲線：燒結(jié)升溫曲線和液相燒結(jié)曲線，如圖2、圖3所示。

圖2 燒結(jié)升溫曲線

圖3 液相燒結(jié)曲線

直接進(jìn)行液相燒結(jié)，曲線呈現(xiàn)出嚴(yán)重的滲出問題，究其原因，可能是低溫固相燒結(jié)時(shí)間減少，升溫速度快而造成的。燒結(jié)后材料的脆性明顯，致密度依舊變得較差。而相比于直接液相燒結(jié)曲線，燒結(jié)升溫曲線由于高硅鋁合金的共晶溫度點(diǎn)較低，在低溫環(huán)境中保持相對(duì)溫度的時(shí)間較長。這時(shí)二元部分完成對(duì)應(yīng)的固化反應(yīng)，形成小部分的固溶體。隨著材料的溶點(diǎn)不斷增加，溫度也隨之緩慢變化。固化反應(yīng)依次進(jìn)行，雖然在此過程中會(huì)出現(xiàn)少量的液相，但燒結(jié)反應(yīng)還在進(jìn)行，并得到較好的反應(yīng)結(jié)果。由于多出兩個(gè)溫度點(diǎn)，使得固溶體的形成更加穩(wěn)定，材料致密度得到提升。對(duì)燒結(jié)升溫曲線的趨勢進(jìn)行分析，提升燒結(jié)材料的強(qiáng)度，可以減少相對(duì)脆性，致密度程度逐漸增加。升溫速率減慢，材料的出汗現(xiàn)象會(huì)明顯減少，孔隙率降低，緊密度更強(qiáng)。

3 結(jié)語

通過對(duì)高硅鋁合金粉末制備工藝進(jìn)行分析和改進(jìn)，提升了材料的緊密程度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于高硅鋁合金的粉末制備和安全施工。但該設(shè)計(jì)還存在不足之處，如粉末振實(shí)的質(zhì)量把控問題，施工工期時(shí)間分配問題等。今后，在提升燒結(jié)效果的同時(shí)，還要優(yōu)化施工工藝，減少施工誤差，提升施工效果。在選擇制備材料時(shí)要按照具體標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，嚴(yán)格控制材料質(zhì)量。