CN109706353A

CN109706353A - 一种铝硅梯度材料及其选区激光熔化成形方法

Info

Publication number: CN109706353A
Application number: CN201910148586.9A
Authority: CN
Inventors: 蔡志勇; 王日初; 周朝辉; 李晓庚; 曹玄扬
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2019-02-28
Filing date: 2019-02-28
Publication date: 2019-05-03
Anticipated expiration: 2039-02-28
Also published as: CN109706353B

Abstract

本发明涉及一种铝硅梯度材料的选区激光熔化成形方法，包括如下步骤：S1：设计铝硅合金层状梯度材料的成分组成和形状，以硅为22～70％、余量为铝的重量百分配比来配制不同硅含量的原料；S2：将原料熔炼，得到不同硅含量的铝硅合金熔体；S3：分别将步骤S2得到的铝硅合金熔体采用气体雾化制备成不同硅含量的硅铝合金粉末；S4：采用选区激光熔化技术，将步骤S3得到的不同硅含量的硅铝合金粉末制备成设计形状的铝硅梯度材料；S5：对步骤S4得到的铝硅梯度材料进行热处理。本发明还涉及所述方法制得的铝硅梯度材料。本发明所述的方法具有可设计性高、工序简化、材料利用率高、加工精度高等优点，本发明所述的梯度材料的可设计性强，适用于电子封装壳体。

Description

一种铝硅梯度材料及其选区激光熔化成形方法

技术领域

本发明涉及梯度功能材料的技术领域，特别是涉及一种铝硅梯度材料及其选区激光熔化成形方法。

背景技术

铝硅合金具有热导率高、热膨胀系数可控、比强度高、密度小(<2.7g/cm³)、易于加工和镀覆等特点，并且机加工、表面镀覆、激光焊接等工艺性能良好，在航空、航天、电子、通信等领域应用前景广阔，特别是在高功率密度和对密度要求高的领域。

然而，现有均质的铝硅合金很难同时满足热膨胀匹配、高导热、机加工、焊接等方面的要求，比如，低硅含量铝硅合金的力学性能较低，尤其是弹性模量较小，而当硅含量超过50％时，即使是采用喷射沉积制备的铝硅合金，其机械性能和焊接性能仍然不理想。

梯度功能材料作为一种特殊的复合材料，是为了满足新材料在高新技术领域的需要，基于一种全新的材料设计概念而开发的新型功能材料。其构成要素(如成分、组织等)和性能在几何空间上连续(或非连续)变化，不仅保留了普通复合材料的组分优势互补与成分和微观结构可设计、可控制的主要优点，而且还引入了与传统均质复合材料截然不同的组成和功能梯度设计思想，因此在复杂环境下使用时，要比均质材料具有更大的优势。

因此，有必要开发一种性能可控性好、能满足各种使用和加工要求的铝硅梯度材料以及相应的制备工艺。

发明内容

基于此，本发明的目的在于提供一种铝硅梯度材料的选区激光熔化成形方法，其具有可设计性高、工序简化、材料利用率高、加工精度高等优点。

本发明采用的技术方案如下：

一种铝硅梯度材料的选区激光熔化成形方法，包括如下步骤：

S1：设计铝硅合金层状梯度材料的成分组成和形状，以硅为22～70％、余量为铝的重量百分配比来配制不同硅含量的原料；

S2：分别将步骤S1配好的不同硅含量的原料熔炼，得到不同硅含量的铝硅合金熔体；

S3：分别将步骤S2得到的不同硅含量的铝硅合金熔体采用气体雾化制备成不同硅含量的硅铝合金粉末；

S4：采用选区激光熔化技术，将步骤S3得到的不同硅含量的硅铝合金粉末制备成设计形状的铝硅梯度材料；

S5：对步骤S4得到的铝硅梯度材料进行热处理。

相对于现有技术，本发明的选区激光熔化成形方法具有以下有益效果：

(1)可以根据应用需求，设计并制备各种梯度结构的复合材料，充分发挥铝硅合金性能可控性好的优点，一方面可以利用高硅含量铝硅合金低热膨胀、高导热的特点，另一方面可以利用低硅含量铝硅合金易加工、可镀覆、可激光焊接等特点，使制得的铝硅合金梯度材料能同时满足各种使用和加工要求，适用于现代微电路器件的气密封装或其他多种应用场合，例如该材料还具有密度小的优点(小于2.7g/cm³)，适用于制作航空航天部件。

(2)先熔炼铝硅合金并气体雾化成粉末，再采用选区激光熔化技术(SLM)，有利于调控硅相尺寸，保证不同硅含量合金层之间获得良好的结合性能，同时易于控制层结构的平直和厚度，可以满足设计的需求，尤其适用于电子封装的要求。

(3)采用选区激光熔化技术，既能够制备梯度材料，又能直接将材料加工成设计形状，减少加工工序，提高原材料利用率，加工尺寸精度较高。

进一步地，步骤S1中，选用纯铝锭和单晶硅块来配制原料。

进一步地，步骤S2中，采用频感应熔炼炉进行熔炼，熔炼过程为：首先升温至780～860℃熔化铝，待铝完全熔化后升温至1200～1500℃，然后加入配好重量的硅，充分搅拌，并进行造渣除气，待硅完全熔化后降温至850～1100℃，保温10～15min，得到铝硅合金熔体。在此熔炼工艺条件下，铝和硅熔炼均匀，硅熔化后降温至850～1100℃并保温10～15min，有利于合金熔体进一步均匀化。

进一步地，步骤S2中，熔炼采用由质量比为30:47:23的氯化钠、氯化钾与冰晶石组成的复合盐造渣，并采用六氯己烷除气。此精炼条件能够有效去除合金中的杂质，有利于改善材料的微观组织，保证最终制得材料的性能。

进一步地，步骤S3中，气体雾化的工艺条件为：中间包坩埚采用电阻加热，预热温度在700～900℃之间，保温时间为30min，雾化气体压力为2.6～3.8MPa，雾化温度为780～860℃，喷嘴直径为2.5～3.5mm，雾化气体为氮气或氩气，熔炼室正压在15KPa以上。此气体雾化条件有利于获得粒径、形状均匀的合格铝硅合金粉末，满足后续选区激光熔化的工作条件要求。

进一步地，步骤S3中，雾化得到的硅铝合金粉末分级处理得到粒径为15～53μm的粉末，以利于后续选区激光熔化能快速将合金粉末熔化，并获得组织均匀、致密的材料。

进一步地，步骤S4中，采用选区激光熔化技术，其步骤为：根据铝硅合金层状梯度材料的设计成分组成和设计形状，建立三维模型，切片分层，得到各层的二维模型，设定每一层所需硅铝合金粉末的硅含量和质量；对工作腔室抽真空至氧气浓度低于500ppm，再将所需的不同硅含量的硅铝合金粉末分别装入送粉系统；开启打印程序，将铝硅合金粉末铺设于成形缸表面，通过激光烧结完成一层二维图形的打印，之后调整已打印层的高度，保持打印层和工作台的上表面在同一水平面，然后进行后一层二维图形的打印，如此重复直至完成整个铝硅梯度材料的打印成形。

进一步地，步骤S5中，热处理的温度为300～500℃，保温时间为4～8h。此热处理条件有利于材料进一步均匀化，促进层与层之间的扩散结合。

本发明还提供上述任一项所述的方法制得的铝硅梯度材料，其由2～4层不同硅含量的硅铝合金组成，其形状为电子封装壳体。

本发明的铝硅梯度材料具有较强的可设计性，可以根据应用需求，设计其梯度层数、每一层的成分(Si含量)与厚度等，此外，该铝硅梯度材料可根据图纸加工成具有复杂形状的封装壳体，可进行表面镀覆和激光焊接，实现气密性封装，也可以通过结构的优化设计进一步提高材料的服役性能。

本发明制得的铝硅梯度材料尤其适用于制作电子封装壳体，具体地，其中的硅含量中等的铝硅合金层设于硅含量最高与最低的铝硅合金层之间，并且，以硅含量最高的铝硅合金层作为电子封装壳体的底层，实现与电子封装基板的连接；以硅含量最低的铝硅合金层作为焊接层，实现封装壳体的气密性封焊；以硅含量中等的铝硅合金层作为过渡层，减少层与层之间因热膨胀系数比匹配而造成的热应力，防止材料开裂。

进一步地，所述铝硅梯度材料由3层不同硅含量的硅铝合金组成，第一层硅铝合金的含硅量为50～70％，第二层硅铝合金的含硅量为35～50％，第三层硅铝合金的含硅量为22％～35％，且所述第二层硅铝合金位于所述第一层硅铝合金与第三层硅铝合金之间。其中，第一层硅铝合金作为电子封装壳体的连接层，实现与电子封装基板的连接；第二层硅铝合金作为过渡层，减少层与层之间因热膨胀系数比匹配而造成的热应力，防止材料开裂；第三层铝硅合金作为焊接层，实现封装壳体的气密性封焊。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

附图说明

图1为本发明的电子封装铝硅梯度材料的制备工艺流程；

图2为本发明的电子封装铝硅梯度材料的结构示意图。

具体实施方式

本实施例中制备一种电子封装壳体的铝硅合梯度材料(Al-27％Si/Al-50％Si/Al-70％Si)，并将其成形为电子封装壳体，请参阅图1，具体步骤如下：

S1：首先设计铝硅合金层状梯度材料的成分组成和形状，本实施例所设计的材料为Al-27％Si/Al-50％Si/Al-70％Si三层梯度材料，其中，Al-27％Si合金层的厚度为4.0±0.5mm，Al-50％Si合金层的厚度为4.0±0.3mm，Al-70％Si合金层的厚度为2.0±0.3mm，并且本实施例所设计的形状为方形盒体的电子封装壳体；相应地，以硅为27％、余量为铝，硅为50％、余量为铝，以及硅为70％、余量为铝的重量百分配比，分别配制硅含量为27％、50％和70％的原料，并选用纯度为99.95％的纯铝锭和单晶硅块来配制原料。

S2：分别将步骤(1)配好的硅含量为27％、50％和70％的原料熔炼，熔炼在中频感应熔炼炉中进行，熔炼过程为：首先升温至780～860℃熔化铝，待铝完全熔化后升温至1200～1500℃，然后加入配好重量的硅，充分搅拌，同时采用由质量比为30:47:23的氯化钠、氯化钾与冰晶石组成的复合盐造渣，并采用六氯己烷除气，待硅完全熔化后降温至850～1100℃，保温10～15min，得到硅含量分别为27％、50％和70％的铝硅合金熔体。

S3：分别将步骤S2得到的不同硅含量的铝硅合金熔体采用气体雾化制备成硅含量分别为27％、50％和70％的硅铝合金粉末，雾化得到的硅铝合金粉末再分别分级处理得到粒径为15～53μm的粉末；

气体雾化的工艺条件为：中间包坩埚采用电阻加热，预热温度在700～900℃之间，保温时间为30min，雾化气体压力为2.6～3.8MPa，雾化温度为780～860℃，喷嘴直径为2.5～3.5mm，雾化气体为氮气或氩气，熔炼室正压在15KPa以上。

S4：采用选区激光熔化技术，将步骤S3得到的硅含量分别为27％、50％和70％的硅铝合金粉末制备成设计形状的铝硅梯度材料；

具体步骤为：根据铝硅合金层状梯度材料的设计成分组成和设计形状，建立三维模型，切片分层，得到各层的二维模型，设定每一层所需硅铝合金粉末的硅含量和质量；对工作腔室抽真空至氧气浓度低于500ppm，再将所需的不同硅含量的硅铝合金粉末分别装入送粉系统；开启打印程序，将铝硅合金粉末铺设于成形缸表面，通过激光烧结完成一层二维图形的打印，之后调整已打印层的高度，保持打印层和工作台的上表面在同一水平面，然后进行后一层二维图形的打印，如此重复直至完成整个铝硅梯度材料的电子封装壳体的打印成形。

S5：采用电阻炉对步骤S4得到的铝硅梯度材料进行热处理，热处理的温度为300～500℃，保温时间为4～8h。

最终成型为电子封装壳体的铝硅梯度材料如图2所示，其中，Al-70％Si合金层是电子封装壳体的底层，作为与电子封装基板的连接层；Al-50％Si合金层作为过渡层，主要为了减少层与层之间因热膨胀系数比匹配而造成的热应力；Al-27％Si合金层作为气密性封焊层。

除本实施例的电子封装铝硅梯度材料以外，本发明还可以将铝硅梯度材料设计为由3层其他不同硅含量的硅铝合金组成，第一层硅铝合金的含硅量为50～70％，第二层硅铝合金的含硅量为35～50％，第三层硅铝合金的含硅量为22％～35％，且所述第二层硅铝合金位于所述第一层硅铝合金与第三层硅铝合金之间；或者，还可以将铝硅梯度材料设计2层、4层或其他层数；或者，还可以根据其他应用需求将铝硅梯度材料设计为其他梯度结构以及形状。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种铝硅梯度材料的选区激光熔化成形方法，其特征在于：包括如下步骤：

S5：对步骤S4得到的铝硅梯度材料进行热处理。

2.根据权利要求1所述的选区激光熔化成形方法，其特征在于：步骤S1中，选用纯铝锭和单晶硅块来配制原料。

3.根据权利要求1所述的选区激光熔化成形方法，其特征在于：步骤S2中，采用中频感应熔炼炉进行熔炼，熔炼过程为：首先升温至780～860℃熔化铝，待铝完全熔化后升温至1200～1500℃，然后加入配好重量的硅，充分搅拌，并进行造渣除气，待硅完全熔化后降温至850～1100℃，保温10～15min，得到铝硅合金熔体。

4.根据权利要求3所述的选区激光熔化成形方法，其特征在于：步骤S2中，熔炼采用由质量比为30:47:23的氯化钠、氯化钾与冰晶石组成的复合盐造渣，并采用六氯己烷除气。

5.根据权利要求1所述的选区激光熔化成形方法，其特征在于：步骤S3中，气体雾化的工艺条件为：中间包坩埚采用电阻加热，预热温度在700～900℃之间，保温时间为30min，雾化气体压力为2.6～3.8MPa，雾化温度为780～860℃，喷嘴直径为2.5～3.5mm，雾化气体为氮气或氩气，熔炼室正压在15KPa以上。

6.根据权利要求1所述的选区激光熔化成形方法，其特征在于：步骤S3中，雾化得到的硅铝合金粉末分级处理得到粒径为15～53μm的粉末。

7.根据权利要求1所述的选区激光熔化成形方法，其特征在于：步骤S4中，采用选区激光熔化技术，其步骤为：根据铝硅合金层状梯度材料的设计成分组成和设计形状，建立三维模型，切片分层，得到各层的二维模型，设定每一层所需硅铝合金粉末的硅含量和质量；对工作腔室抽真空至氧气浓度低于500ppm，再将所需的不同硅含量的硅铝合金粉末分别装入送粉系统；开启打印程序，将铝硅合金粉末铺设于成形缸表面，通过激光烧结完成一层二维图形的打印，之后调整已打印层的高度，保持打印层和工作台的上表面在同一水平面，然后进行后一层二维图形的打印，如此重复直至完成整个铝硅梯度材料的打印成形。

8.根据权利要求1所述的选区激光熔化成形方法，其特征在于：步骤S5中，热处理的温度为300～500℃，保温时间为4～8h。

9.权利要求1-8任一项所述的方法制得的铝硅梯度材料，其特征在于：由2～4层不同硅含量的硅铝合金组成，其形状为电子封装壳体。

10.根据权利要求9所述的铝硅梯度材料，其特征在于：由3层不同硅含量的硅铝合金组成，第一层硅铝合金的含硅量为50～70％，第二层硅铝合金的含硅量为35～50％，第三层硅铝合金的含硅量为22％～35％，且所述第二层硅铝合金位于所述第一层硅铝合金与第三层硅铝合金之间。