高硅铝合金的研究现状及展望

董屹盛，吕洪玉

(天津科技大学 机械工程学院，天津 300457)

高硅铝合金自20世纪被研发至今发展非常迅速，由于其具有质量轻、耐磨性好、硬度高、热膨胀系数低、导热性能好等优点，目前被广泛应用于电子封装、汽车和航空航天等领域[1-2]。高硅铝合金中含有大量初晶Si，随着Si含量增加，初晶Si颗粒变得粗大，与针状的共晶Si共同降低基体的性能。因此如何采用先进的制备方法制备出综合性能优异且经济性好的高硅铝合金，已成为材料工作者的研究重点。

1 高硅铝合金简介

高硅铝合金属于过共晶Al-Si合金，Si含量(质量分数，下同)一般在17%～70%，通常被认为是金属基复合材料，其组织是由Si相作为硬质相均匀地分布在较软的α-Al基体中。按照成分高硅铝合金分为两类：一类是Al-Si二元合金，另一类则是以铝、硅为主要元素，添加一些合金元素而形成多元高硅铝合金。高硅铝合金的成分不同，其特性也有一定差异，进而有不同的用途。

1.1 二元高硅铝合金

对于Si含量为17%～30%的二元高硅铝合金，与普通的铸造铝硅合金(Si含量在13%以下)相比，力学性能显著提高，耐磨性能和导热性能更好，热膨胀系数更低，因此适用于汽缸和活塞等需在高温下长时间服役的零件。但是过高的Si含量容易导致合金中Si相过多且粗大，降低力学性能和切削性能，因此必须采取一定的措施加以改善。常用的方法有变质处理、半固态搅拌、快速凝固、喷射成形等[3]。江峻等[4]通过熔铸法制备的Al-20Si初晶Si平均尺寸为7.1 μm，抗拉强度达到210 N/mm2，伸长率达3.89%。党博等[5]采用高纯Si (99.99%) 和Al-24.2Si中间合金熔炼得到Al-25%Si合金，通过控制熔体温度细化了初晶Si。

Si含量为30%～70%的Al-Si二元合金，一般用于电子封装领域[6]。作为电子封装材料，Al-Si合金具有下列优点：热膨胀系数低，与Si或GaAs芯片材料匹配良好；密度小，有利于电子产品的轻量化发展；高的热导率，可以将电子器件生成的热量快速散出；良好的封装工艺性能和可加工性，可以镀上一些常见的电镀金属，利用普通刀具可获得较高的加工精度，易于加工成不同形状；相比于其他电子封装材料，Al-Si合金对环境友好，容易回收再利用[7]。国内对此类合金的研发起步比较晚，主要是一些大学或研究机构在做。黄志刚等[8]通过快速凝固粉末冶金法制备了电子封装用Al-50%Si高硅铝合金。黄海滨[9]等采用纯铝包套热压成型后真空烧结方法，制备了Al-60%Si电子封装材料，材料致密度达到98.8%，热导率达115 W/(m·K)。

1.2 多元高硅铝合金

多元高硅铝合金一般指Si含量为17%～30%并添加一些合金元素的高硅铝合金，其主要用途是作为高强度与耐磨损材料。事实上，二元高硅铝合金的强度与耐磨性特别是高温下的强度与耐磨性仍不太令人满意，仅用作高速摩托车和赛车的活塞[10]。随着对高硅铝合金研究的深入，人们发现在二元高硅铝合金中添加一些合金元素可以进一步提升性能，因此研究者们将重点集中在了多元高硅铝合金上[11]。目前，国内外的科技人员在研究各种合金元素对高硅铝合金性能的影响，主要是加入Cu、Mg、Fe、Ni、Mn等合金元素，从而形成强化相。

在高硅铝合金中加入Mg元素，对组织和性能影响最大。Mg元素可与合金中的Si生成强化相Mg2Si，合金经淬火与人工时效后，力学性能得以显著提高[12]。

在高硅铝合金中加入Cu元素，会与合金中的Al发生反应生成CuAl2强化相，提高合金的高温强度和耐磨性，但是Cu过多时会造成合金的热膨胀系数增加，这对于活塞材料极为不利。因此，在高硅铝合金中加入Cu的质量分数控制在0.5%～6%之间。

对于某些需要在高温条件下服役的零部件，例如汽车发动机的缸套与活塞，需要在150 ℃～300 ℃下工作，因此提升高硅铝合金高温下的性能就显得十分重要。一些学者研究发现，在高硅铝合金中加入适量的Fe元素时，Fe可与合金中的元素反应形成β-Al5FeSi相和δ-Al4FeSi2相，这些相在300 ℃时仍比较稳定，从而显著提高Al-Si合金在高温下的强度以及抗蠕变性能。此外Fe的加入也可以阻止Al-Si合金基体组织的粗化[13]。Ni的作用与Fe的近似，向Al-Si合金中加入Ni后，会形成含Ni的金属间化合物，其具有较高的热稳定性，因而提高合金的高温性能。向合金中添加Mn元素，也可以生成一些强化相，起到弥散强化的作用。此外Mn元素还可以改善合金中富铁相的形态，使针状金属间化合物减少，颗粒状化合物增多，改善合金的组织[14-15]。因此一般在合金中加入Fe元素的同时会添加适量的Mn元素。刘蒙恩[16]等在Al-20Si合金中添加(质量分数)0.7%Mn、1%Cu，熔炼得到性能良好的Al-20Si-1Cu-0.7Mn合金，抗拉强度达到238 N/mm2，且Si相细小，组织均匀。

2 高硅铝合金的制备方法

2.1 熔炼铸造工艺

熔炼铸造是工厂大批量生产各种合金最常用的方法[17]。对于高硅铝合金，其性能的优劣主要取决于硅相的形态、大小和分布。由Al-Si二元合金相图可知[18]，硅的大量加入会导致合金的结晶温度范围变宽，加之普通铸造方法冷却速度较慢，易导致合金晶粒粗大，并生成带尖角的大块状初晶硅和粗针状的共晶硅。图1所示为传统铸造高硅铝合金的金相组织[19]。从图1中可以看到，Si相严重割裂了合金基体，这显著降低了合金的力学性能，尤其是塑性和韧性。在摩擦磨损时，粗大的针状共晶Si相容易破碎与断裂造成材料损坏，且脱落下来的Si相作为硬磨屑会进一步加剧磨损，使得合金的耐磨性能被显著削弱。此外，合金中硬度很高的大块状初晶Si的存在，使合金难以切削加工，并容易损坏刀具。

图1 传统方法铸造高硅铝合金的组织[19]Fig.1 Microstructure of high silicon aluminium alloy prepared by the traditional casting method[19]

因此，细化初晶Si和共晶Si成为当前熔炼铸造制备高硅铝合金的研究重点。对于初晶Si，常采用Al-P中间合金来变质细化。杨威等[20]采用变质剂Al-3P变质处理Al-18Si合金，使合金中的初晶Si变得细小，提高了合金的力学性能。丁紫阳等[21]采用Al-4P对Al-20Si合金进行变质处理，合金中的初晶Si明显变细小，切削性能显著提高。对于共晶Si，可以用Ce、Gd、Na、Sr、B等变质处理进行细化。钟鼓等[22]研究了稀土Ce变质处理Al-20Si-2Cu-1Ni高硅铝合金，发现Ce通过富集在凝固前沿，抑制了共晶Si的生长，从而细化和改善了共晶Si。

不过采用传统铸造法制备过共晶Al-Si合金时，当Si含量超过17%后，添加变质剂的作用十分有限，特别是当Si含量超过25%时，在合金中添加各种变质剂并不能使合金组织得以显著细化。因此，采用传统铸造方法制备的高硅铝合金的性能较差，一般只能用于对性能要求不高的零件。

2.2 快速凝固与粉末冶金工艺

快速凝固(RS)与粉末冶金(PM)技术是首先利用快速凝固法制备出粒度、成分与组织均匀的粉末，然后用粉末冶金工艺加工，其主要流程为：制备粉末→筛选粉末→预压粉末→真空处理→压坯烧结→合金热处理→机械加工→零部件[23]。利用该工艺技术制备高硅铝合金时，最主要的步骤是粉末制备和压制成形。粉末制备可以采用超音速气体雾化法、水雾化法、普通气体雾化法及离心雾化法等方法。其中超音速气体雾化法制备的合金粉末尺寸细小、成分均匀且形状相对规则，并且有较高的收集率，因此该方法目前最为常用[24]。制出粉末后还需要压制成形才可以应用于各种零件的生产，最常用的压制方法是热挤压法。在挤压过程中常采用纯铝作为粉末包套来减少粉末对模具的磨损[25]，并且要选择合适的挤压温度，温度过高则会出现过烧，导致材料内部晶粒粗大，降低材料的力学性能；反之，则会出现欠烧和挤压困难，影响粉末的结合程度[26]。

相比熔炼铸造技术，快速凝固与粉末冶金技术使液态合金具有更快的冷却速度和更大的过冷度，这可以提高形核率和细化晶粒，大幅度提高合金的性能。但是快速凝固与粉末冶金方法也有不足之处，即：步骤繁琐，工艺复杂，生产周期比较长，生产成本较高，并且在粉末的运输与储存过程中容易被氧化，使得制备出的高硅铝合金由于存在原始界面问题而降低了力学性能[27]。

2.3 喷射成形工艺

喷射成形(spray forming)是自20世纪60年代发展起来的一种快速凝固技术[28]，也是目前制备高硅铝合金的主流方法。其基本原理是：用高速高压惰性的气流将熔融的金属液雾化成细小分散的熔滴射流，使其以很高的速度撞击沉积盘表面，逐层沉积凝固成为具有一定尺寸的合金锭。喷射成形高硅铝合金具有以下优点。

1)近终成型。由于可以直接喷射成形圆盘、管坯、圆锭、板坯等接近零件最终的形状，因此可以减少后续加工所导致的材料浪费，缩短工艺流程。

2)组织细小、成分均匀。 在喷射成形过程中，细小的金属液熔滴沉积到基体上很快冷却凝固，其内部有大量细小的晶核产生且来不及长大；同时，溶质原子也难以扩散和偏聚，加之喷射成形是逐层沉积和凝固的，因此可得到成分均匀、组织细小的坯锭。

3)含氧量低。整个喷射成形过程是在惰性或半惰性气氛中进行的，液态金属直接被雾化沉积成形，大大减少了被氧化的可能性[29]。不过，喷射成形高硅铝合金的基体上经常有许多尺寸大小不一的细小孔隙存在(如图2a所示)，这主要是由于喷射沉积过程中有气体卷入雾化流、凝固颗粒堆积或凝固收缩造成的，因此必须对合金进行致密化处理。致密化处理后孔隙可明显减少(如图2b所示)。常见的致密化方法有热挤压、半固态挤压、锻压、热等静压等。实施中可采用一种或多种方法进行处理以达到提高材料致密度的目的。

图2 喷射成形高硅铝合金的金相组织[30]Fig.2 Microstructures of high silicon aluminum alloy by spray forming[30]

①热挤压。此法为喷射成形合金提供了较好的三向压应力，因此孔隙可大幅度减少。赵军峰等[31]采用热挤压工艺对Al-22Si沉积坯锭进行致密化处理，发现喷射成型过程生成的孔隙基本实现闭合，而且初晶硅相没有明显的粗化现象。

②半固态挤压。这是一种在液、固相线之间的半固态温度区间进行成形的方法，它具有一步成形、对模具的损耗小、尺寸公差小的优点。彭健等[32]采用半固态挤压法对喷射沉积Al-27%Si合金进行致密化处理，消除了合金中的孔隙，并且Si相比挤压前更加均匀细小。

③锻压。在锻压过程中，喷射沉积件在持续的压力作用下会发生一定程度的变形，局部材料相对流动，从而导致孔洞的相对面发生接触，即孔隙消除。陈刚等[33]对喷射沉积梯度增强高硅铝合金Al-20Si/SiCp复合材料进行锻压，实现了致密化，并且材料整体的强韧性和表面耐磨性显著提高。

④热等静压。即是将喷射沉积坯锭放入热等静压设备中进行高温高压处理，此工艺能优化组织，消除孔隙。苏愉钦等[30]采用热等静压法对高硅铝合金喷射沉积坯锭进行处理，使合金中的细小孔隙基本消失。

目前，在众多的高硅铝合金的制备方法中，喷射成形是应用比较成功的一种，国外已采用该方法制备汽车发动机的一些关键零部件。20世纪90年代，日本的住友轻合金公司已经可以生产出最大尺寸达Φ250 mm×1 400 mm的高硅铝合金坯锭。马自达公司用该方法制备的Al-Si-Fe系高硅铝合金，用于Miler循环发动机的叶片和转子，使转子的质量减轻60%，耐磨性能提高，寿命提高了20%以上[25]。德国的PEAK公司在20世纪90年代开始工业化喷射成形高硅铝合金，其制备的Al-25Si-4Cu-1Mg高硅铝合金用于发动机的汽缸套内衬，这种新型缸套的应用使得发动机质量大幅度减轻，耗油量减少且输出功率提高，实现了缸套与活塞的紧密配合，因而减小了噪音。

喷射成形技术虽然优于其他方法，但是它也有一些缺点，例如工艺复杂(通常包含金属熔炼→雾化→喷射→沉积→冷却和凝固过程)，工艺参数多，需要后处理，效率低，成本高等。因此高硅铝合金目前仅应用于一些高端汽车、航空航天器等的零部件，其推广应用仍然面临挑战。

3 展望

既然高硅铝合金主要用于一些耐磨损的场合，而且磨损一般只发生在材料表面，如果能在具有一定强度的铝合金基体表面制备一层高硅铝合金涂层，这样不仅整个零件的强度能够满足要求，而且表面也具有与高硅铝合金等同的耐磨性，则无论从效率还是经济上都具有重要意义。

在材料表面制备涂层属于表面工程的范畴，常见的表面涂层制备技术有热喷涂、电镀与化学镀、气相沉积、堆焊等方法。由于电镀、化学镀与气相沉积制备的涂层厚度较薄，堆焊制备的涂层晶粒粗大，显然不适合用来制备高硅铝合金涂层。热喷涂技术的原理与喷射成形有许多相似之处，并且技术相对成熟，制备的涂层厚度也较厚，虽然国内外没有制备高硅铝合金涂层的报道，但是有一些普通铝硅合金及铝基涂层的研究。此外，与喷射成形相比，喷涂工艺更简单，加工效率更高，成本更低。因此采用喷涂的方法来制备高硅铝合金涂层非常有发展前景，值得进行深入研究。