高硅铝合金粉末制备工艺及其综合性能分析

黄秋良，霍冬亮，疏 敏，刘 鹏

（内蒙古旭阳新材料有限公司，内蒙古 霍林郭勒 029200）

0 引言

随着现代化社会的不断发展，世界能源极度紧缺，导致各种资源价格上涨，同时还引发了大量环境问题[1]。铝合金材料具有较高的强度和抗腐蚀性，同时，还能够持续进行散热，性能良好。目前，大部分的设备零件以钢铁材料为主，运用传统制备方法难以有效制备铝合金粉末。由于传统方法没有合适的制备烧结规划，选择的制备材料紧密度较低，制备过程中材料热导率下降，空隙率提升难以达到预期效果。因此，本文对高硅铝合金粉末制备工艺进行研究，深入分析综合性能，结合实际情况进行实验。

1 实验准备

1.1 材料部分

设定研究对象为Al-30%Si 体系。实验所使用的初始材料纯度为99.2%、3～10 μm 粒度的硅粉。纯Si的相对分子质量为32，密度为4 g/cm3，熔点和沸点均较高。硅粉颗粒通常为不规则四边形，也存在一小部分块状物。铝粉纯度约为95.3%，15～21 μm 粒度，铝粉颗粒大多数为球形或类似圆形。纯Al 的相对分子质量为30，密度为3.1 g/cm3。碳纳米管粉末长度为5～20 μm，碳纳米管一般为长度较长的管状类型。Si管形状不规整，多见棱角分明的形状。将不同组选择好的原始材料按照设定的比例进行充分搅拌，混合后得到实验所用的材料[2]。实验设备有：1 台行星式球磨机、1 台DF-2 集热式恒温磁力搅拌器和1 台循环水式多用真空设备，实验所用到的电炉和真空电炉均符合标准。同时，还需配备DTR333 测试分析仪和天平。

1.2 浇筑工艺

要想获得较好性能的复合材料，关键是要先制备出高性能的骨架预制件[3]。由于温度提升时，烙液的吸气程度、氧化程度会提升，这将会影响合金烙炼的质量，造成一定的损失。为预防铸件晶粒粗大，在制作时产生裂纹、出现大量空隙，发生疏松现象，铅铸件通常选用较低的浇筑温度，为合金液相线温度的10 倍左右。浇筑温度对铸造初态硅的大小、状态及分布存在一定影响。初态硅的含量会根据铸型湿度的变化而发生改变。随着浇筑温度不断增加形成多种变化形式。Al-20%Si 最适合铸型的温度为120 ℃。不同含量的浇筑温度均有不同。CuP14 合金对高硅铅合金中的初态硅有变质作用。变质后，材料中初态硅的数量随之增加。在原料表面加入碳，最终获得不同体积和孔径大小的试验样本材料，再在这个样品的基础上加入铝硅合金。在合金的烙炼过程中，添加适量的变质剂，能够改善制备目标的状态、大小和分布。经过固态扩散处理后，高硅铅合金的组织形态发生变化，减少了长针状共晶体出现颗粒化的现象。为获得更为理想的材料，需要进行较长时间的保温处理。

1.3 冶金法烧制粉末

运用液相烧结可加强原料的紧实度，使颗粒进行重新排列，补充液体的相对间隙[4]。在进行烧结时，正常的润湿角通常小于90°。固体在液体里面存在溶解度，但液体在固体中的溶解度较低，通过烧结，可提升溶解效果。选择合适的液相体积分数，在正常情况下的冷却阶段里，全部将固相的颗粒间隙填充完整，控制在15%～60%中。

为了获得致密度更高的Al-Si 复合材料，实验采用液相烧结的方式制备Al-Si 复合材料。当液相对固相是相对润湿的条件时，润湿角＜90°。当液相对固相不润湿时，润湿角＞90°。液相对固相完全润湿时，润湿角＝0°。当液相对固相完全不润湿时，润湿角＝180°。良好的润湿性对液相固结具有较好的促进作用[5]。在平衡条件下计算润湿性，公式为：

式中：γs为固相表面张力；γg为液相表面张力；γsg为固液之间的界面张力；θ 为润湿角。当Al 液相与Si 固相接触时，液固两相接触面有扩大的趋势，表示为浸润现象。当液相接触固相，接触面有缩小的趋势，表示为不浸润现象。液相和固相之间的接触面越大，液相越能更好地填充固相颗粒间的空隙，烧结效果更好，材料的相对密度更高。因此，当液相对固相浸润时，即：润湿角θ＜90°，液相才能浸入固相颗粒的空隙，甚至晶粒间隙。液相润湿固相平衡图如图1 所示。

图1 液相润湿固相平衡图

当cos θ＜0 时，液相才能润湿固相。因此，减小润湿角θ，将增大液相表面，对润湿有利。运用FR-33 型高能卧式转子球磨机快速撞击目标，用撞击产生的能量进行研磨，将分散的粉末整合。为了准确分析研磨过程中粉末的结构与相组织变化，在氩气保护下，选择不同的材料比进行配制。设定不同转速与研磨时间，通常为1～6 h。研磨合金粉末，并对其组织结构进行SEM衍射检验与分析。同时，对粉末进行包套，材料选择强度高、塑性强的5725 铝合金，包装好粉末后盖上并焊合。运用机械设备进行振实，并用细密铜网填充，避免排气过程中有粉末从导管内被吸走。粉末包套真空除气设备一般由真空扩散设备和电阻加热器组成[6]。将粉末导入包套以后，将包套与真空扩散装置进行连接，运用扩散设备对包套内粉体进行疏通，通过减少在粉末表面存在的液体实现分解，并经过扩散设备完成排出。

2 综合性能分析

对粉末制备过程中的综合性能进行分析，探究烧结温度对性能产生的影响。根据高铝硅合金制备试验结果进行材料性能分析，绘制两种不同的烧结升温曲线：烧结升温曲线和液相烧结曲线，如图2、图3所示。

图2 烧结升温曲线

图3 液相烧结曲线

直接进行液相烧结，曲线呈现出严重的渗出问题，究其原因，可能是低温固相烧结时间减少，升温速度快而造成的。烧结后材料的脆性明显，致密度依旧变得较差。而相比于直接液相烧结曲线，烧结升温曲线由于高硅铝合金的共晶温度点较低，在低温环境中保持相对温度的时间较长。这时二元部分完成对应的固化反应，形成小部分的固溶体。随着材料的溶点不断增加，温度也随之缓慢变化。固化反应依次进行，虽然在此过程中会出现少量的液相，但烧结反应还在进行，并得到较好的反应结果。由于多出两个温度点，使得固溶体的形成更加稳定，材料致密度得到提升。对烧结升温曲线的趋势进行分析，提升烧结材料的强度，可以减少相对脆性，致密度程度逐渐增加。升温速率减慢，材料的出汗现象会明显减少，孔隙率降低，紧密度更强。

3 结语

通过对高硅铝合金粉末制备工艺进行分析和改进，提升了材料的紧密程度，实现了对于高硅铝合金的粉末制备和安全施工。但该设计还存在不足之处，如粉末振实的质量把控问题，施工工期时间分配问题等。今后，在提升烧结效果的同时，还要优化施工工艺，减少施工误差，提升施工效果。在选择制备材料时要按照具体标准进行，严格控制材料质量。