CN112375946A - 一种高Mg2Si铝合金及其设计与快速凝固制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高Mg2Si铝合金及其设计与快速凝固制备方法和应用，包括以下步骤：S1：合金成分设计，主要是Mg2Si含量；S2：原位反应，在Al‑Si合金熔体中添加纯镁，原位反应后得到Al‑70％Mg2Si中间合金；S3：喷射沉积制坯；S4：致密化处理；S5：稳定化热处理；S6：合金成分优化。与现有材料相比，Al‑Mg2Si合金具有更低的密度、更高的弹性模量；与现有制备技术相比，喷射沉积过程的高冷却速率可有效控制Mg2Si相尺寸和形貌，获得高Mg2Si含量，确保合金具有良好的综合性能；本发明还将Al‑Mg2Si合金应用于电子封装盖板和壳体，也可应用于活塞、制动盘、发动机缸套等轻量化部件。

Description

一种高Mg2Si铝合金及其设计与快速凝固制备方法和应用
技术领域
本发明属于金属及合金的开发与制备技术领域，特别涉及一种高Mg2Si铝合金的设计与快速凝固制备方法，并将其应用于电子封装盖板和壳体。
背景技术
随着现代电子信息、轨道交通和汽车工业的快速发展，以及能源短缺、环境污染等问题日益突出，轻质高性能铝合金受到越来越多来自材料界与产业界的关注，并在航空航天、车辆、体育等领域得到广泛应用。随着现代电子系统向小型化、轻量化、高工作频率、高功率密度、多功能和高可靠性等方向发展，传统的电子封装材料在热膨胀系数匹配、轻量化和气密焊接等方面已无法胜任，开发新型轻质高性能电子封装材料日益迫切。
金属间化合物Mg2Si的密度仅为1.99g/cm3，且弹性模量达到120GPa，高于硅的112GPa，是强化铝合金的理想的颗粒。通过在铝基体中同时添加镁和硅可以原位生成热力学稳定的Mg2Si相，由于Mg2Si相在基体中原位生成，表面无污染，避免了与基体相容性的问题，界面结合强度高；同时，原位自生法减少了外加法中颗粒单独合成、处理以及添加、混料等工序，制备工艺简单，成本低。
然而，现有Al-Mg2Si合金中Mg2Si相的含量较低，合金的热膨胀系数和力学性能还有待进一步改善，无法满足电子封装等领域的需求。出现这种问题的关键在传统制备技术无法有效控制Mg2Si相的尺寸和形状，一旦生成大尺寸、不规则形状的开题，合金的力学性能和机加工性能急剧下降。中国专利CN1215089A公开了一种原位自生Mg2Si颗粒增强铝基复合材料，通过添加韧化剂改善性能，Mg2Si的最佳含量为20～35％。但对于电子封装壳体材料，为获得与基板相匹配的热膨胀系数，增强相含量往往达到50％以上，目前的Al-Mg2Si合金仍无法满足热膨胀系数的要求。
研究发现，含量和冷却速率是决定Mg2Si相尺寸、形状和分布的最关键因素，从而决定Al-Mg2Si合金的宏观性能。因此，采用快速凝固技术有效Mg2Si相调控起尺寸和形状特征，从而提高其含量，是制备轻质高性能Al-Mg2Si合金电子封装的关键技术。
发明内容
为了满足现代电子元器件对新型轻质高性能电子封装材料的需求，本发明提供一种高Mg2Si铝合金，满足电子封装对材料性能和工艺性能的要求；为克服Al-Mg2Si合金中Mg2Si相含量低、尺寸粗大、棱角尖锐导致材料力学性能低、热膨胀系数大和机加工性能差等问题，本发明采用快速凝固喷射沉积制备Al-Mg2Si合金，结合后续致密化处理获得Al-Mg2Si系列合金；本发明进一步将喷射沉积Al-Mg2Si合金分别制成电子封装壳体和电子封装盖板，从而为该材料的推广应用奠定技术基础。
本发明采用的技术方案如下：
本发明一种高Mg2Si铝合金的设计与快速凝固制备方法，包括如下步骤：
S1：合金成分设计：根据电子封装材料的性能要求，预设Mg2Si相含量；
S2：Al-70％Mg2Si中间合金的制备：配取纯铝、纯镁、Al-90％Si中间合金，原位反应、并浇铸冷却后，得到Al-70％Mg2Si中间合金；
S3：喷射沉积制坯：根据步骤S1的设计的合金组分，配取纯铝和步骤S2所制备的Al-70％Mg2Si中间合金、熔炼，然后经喷射沉积获得沉积锭坯；
S4：致密化处理：将步骤S3所得沉积锭坯进行致密化处理，获得致密化坯体；
S5：稳定化热处理：将组份S4所得致密化坯体先进行退火处理，然后再进行高低温循环处理即得Al-Mg2Si合金；
S6：合金成分优化：测试Al-Mg2Si合金的力学性能和物理性能，观察显微组织与结构，优化Mg2Si含量和/或Al基体合金成分。
进一步地，所述步骤S1中，根据电子封装材料对热膨胀系数、热导率的要求，先通过混合法则计算热膨胀系数：式(1)，和热导率式(2)，预设Mg2Si相的含量，
Figure BDA0002744177270000021
Figure BDA0002744177270000022
其中，α表示热膨胀系数，λ表示热导率，V表示体积分数。
在实际操作过程中，根据电子封装材料对热膨胀系数匹配的要求，20～200℃热膨胀系数，盖板材料要求小于18.0±1.0×10-6/K，壳体材料要求小于12.0±1.0×10-6/K，热导率分别高于150W/mK和120W/mK。热膨胀系数和热导率是电子封装材料的主要性能指标，并且主要取决于增强相的含量，受工艺过程和参数的影响较小。因此，首先基于单质Al和Mg2Si的基本物理性能数据，利用混合法则计算热膨胀系数(式1)和热导率(式2)，从而预设Mg2Si相的含量。
进一步地，所述步骤S2中，先将纯铝熔化，升温至1150～1250℃，添加Al-90％Si中间合金；精炼、除渣后降温至1100～1150℃，添加纯镁、在搅拌下原料反应20～30min；降温至1000～1050℃，水冷模浇铸，冷却即得Al-70％Mg2Si中间合金。
在本发明中，为了获得与基板匹配的热膨胀系数，电子封装Al-Mg2Si合金壳体中Mg2Si含量需要达到或高于50％，因此Mg2Si含量需要高于50％以方便配取不同组分的合金，但过高的Mg2Si含量会导致合金熔点升高，给合金制取带来困难，因此中间合金中Mg2Si含量选取为70％。
在本发明中，所述步骤S2中，通过铝合金熔体中原位生成增强相Mg2Si，合金冷却凝固后Mg2Si与Al基体的形成良好的界面结合，避免了界面反应、氧化、污染等问题。
采用Al-90Si中间合金以提高硅原子的分布均匀性，并降低熔炼温度，有助于Mg2Si相的稳定生成和含量精确控制。
进一步地，所述精炼在氩气保护下进行，采用高纯氩气进行精炼，添加纯镁在高纯氩气保护下进行，并在电磁搅拌进行原位反应，可以提高Mg2Si相的生成效率和分布均匀性。
由于喷射沉积过程中，熔体在高压气体作用下雾化呈细小的液滴，均匀性高的合金熔体是获得高质量沉积锭坯的前提。
进一步地，所述步骤S3中，先将纯铝熔化，然后再加入步骤S2中所制备的Al-70％Mg2Si中间合金，熔炼后，搅拌并保温，所得合金熔体经喷射沉积获得沉积锭坯。
进一步地，所述步骤S3中，喷射沉积主要工艺参数包括：沉积盘旋转速度300-500r/min，沉积盘下降速度10-15mm/min，喷嘴直径2.8-3.5mm，沉积距离260-320mm，雾化压力0.8-1.2MPa。
进一步的，所述步骤S3中，沉积锭坯的致密度≥85％，通过将沉积锭坯的致密度控制在85％以上可以避免对致密化过程产生不利影响。
进一步地，所述步骤S4中，当步骤S3所得沉积锭坯中，Mg2Si的含量≥45％时，所述致密化的方法选自热等静压、热压烧结、放电离子烧结等中的一种，所述致密化处理的过程为：先于360～420℃保温1～2h，然后再升温至480～560℃，保温时间为1～6h，升温速率为10～40℃/h，降温速率为20～50℃/h，压力为120～500MP，保温结束后随炉降温。
进一步地，所述步骤S4中，当步骤S3所得沉积锭坯中，Mg2Si的含量＜45％时，所述致密化的方法选自热挤压、热锻造、热轧等中的一种，所述致密化处理过程中，锭坯的加热温度为360～520℃，保温时间为2～4h。
在本发明中，通过致密化处理消除沉积锭坯的孔隙，致密化处理后，致密化坯体的致密度大于99％。
进一步地，所述步骤S5中，所述退火温度为280～360℃，保温时间为24～96h，保温结束后随炉降温；所述高低温循环次数为1～3次，所述单次高低温循环过程为：先升温至125～275℃保温5min，然后快速冷却到-40～-176℃保温1min。
合金通过低温长时间稳定化退火后，采用高低温循环去除内应力。
进一步地，所述步骤S6中力学性能包括抗拉强度、屈服强度、延伸率、抗弯强度和硬度，物理性能包括密度、热导率和热膨胀系数。，显微组织与结构观擦采用金相、扫描电镜等。
进一步地，所述步骤S6中，按照GB/T 20975规定的方法检验合金的化学成分；按照GB 3850或GB/T 1423规定的方法测定合金的密度，样件规格：20×20×10mm，致密度为实测密度与理论密度的比值乘以100％；按照GB/T 228规定的方法测定合金的抗拉强度；按照ASTM E1269或GJB 330A规定的方法测定合金的比热容，按照GB/T 22588或GJB1201.1规定的方法测定合金的热扩散系数，通过经典热导率公式计算得到热导率；按照GB/T 4339或GJB 332A规定的方法测定合金的热膨胀系数。
在实施操作过程中，若力学性能和物理性能满足要求，则进行成品加工，若宏观性能不满足要求，则根据合金显微组织与力学性能和物理性能之间的联系，优化合金组分，重复步骤S2-S5，优化合金组分的基准为在满足热膨胀系数的前提下，具有更高的热导率和强度。
进一步地，所述步骤S6中，合金成分优化的具体过程为：当热膨胀系数和热导率无法满足指标要求时，调整Mg2Si相含量；在热膨胀系数和热导率满足要求的情况下，通过在铝基体中添加合金化元素，提高Al-Mg2Si合金力学能，所述合金化元素的添加量为0.1-1.0％，所述合金元素选自Mg、Mn、Nd、Sc、Zr中的至少一种。
热膨胀系数和热导率是电子封装最重要的要求，因此首先依据热膨胀系数和热导率的指标要求，其次综合考虑力学性能。当热膨胀系数和热导率无法满足指标要求时，根据式(1)和式(2)可知，提高Mg2Si含量将降低热膨胀系数，但热导率也随之下降，因此通过调整Mg2Si含量可以实现对热膨胀系数和热导率的控制。
而合金强度是电子封装材料可靠服役的基础，在热膨胀系数和热导率满足指标要求的情况，通过基体合金化是提高Al-Mg2Si合金力学强度的重要途径，但所添加元素应避免或减少微合金化元素对原位生成Mg2Si相的影响，根据二元合金相图，合金化元素包括Mg、Mn、Nd、Sc、Zr等对铝基体具有显著强化作用的合金元素。
另外由于热导率是电子封装材料的主要性能指标，微合金化可以提高合金强度但不利于热导率故合金元素添加必须是微量的，添加量为0.1-1.0％。
当进行成份优化时，添加了合金化元素，则在喷射沉积制坯过程中，加入Al-M中间合金，其中M为合金化元素，具体的在步骤S3中，先将纯铝熔化，然后再加入步骤S2中所制备的Al-70％Mg2Si中间合金，熔炼后，再加入Al-M中间合金、搅拌并保温，合金熔体经高压雾化、沉积和冷却后，得到沉积锭坯，通过Al-M中间合金的方式添加进步骤S3中，有利于提高工艺可控性，从而满足产品的批次稳定性要求。
本发明还提供上述制备方法所制备的高Mg2Si铝合金。
本发明还提供上述制备方法所制备的高Mg2Si铝合金的应用，将所述高Mg2Si铝合金应用作为电子封装壳体材料或电子封装盖板材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)增强相Mg2Si在铝合金熔体中原位生成，冷却凝固与基体的结合良好，避免了界面反应、氧化、污染等问题，并且简化了制备工艺，为该材料的大规模生产奠定了基础。
(2)采用快速凝固喷射沉积技术制备Al-Mg2Si合金，有效解决传统铸造冶金过程中由于冷却速度低带来的Mg2Si相粗大、棱角尖锐的问题，避免了成分偏析现象，从而使合金的综合性能得到大幅度改善。
(3)由于Mg2Si的密度仅为1.99g/cm3，相对于Si降低14.6％，Al-Mg2Si合金的密度进一步降低，有利于其在航空航天领域应用。
(4)本发明采用现有的喷射沉积工艺与设备，不需要对熔炼和成形设备进行改造，并且原材料Al、Mg和Si均为价格低廉的材料，极易推广。
(5)本发明采用Al-90Si中间合金作为原料预先制备Al-70％Mg2Si中间合金，减少了Mg的烧损并提高合金成分的可控性，能够确保工艺的稳定性，适合工业化生产。
(6)本发明所制备的Al-Mg2Si合金具有环境友好性，因为增强相Mg2Si在重熔过程中可以全部溶于Al基体中，因此反复熔炼过程中仅需控制Mg2Si相含量和工艺参数，能够实现合金的重新利用。
附图说明
图1为本发明Al-Mg2Si合金电子封装材料的设计与制备工艺流程；
图2为本发明实施例2中喷射沉积Al-50％Mg2Si合金的SEM显微组织；
图3为本发明实施例1中喷射沉积Al-27％Mg2Si合金制成的电子封装盖板；
图4为本发明实施例2中喷射沉积Al-50％Mg2Si合金制成的电子封装壳体。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合两个具体实施例，对本发明提供的一种高Mg2Si铝合金的设计与快速凝固制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下具体实施例的限制。
实施例1：
本实施例中一种Al-0.3％Mn-30％Mg2Si合金电子封装盖板材料的设计、制备和应用，请参阅附图1，具体步骤如下：
(1)合金成分设计：电子封装材料的性能指标要求以及Al和Mg2Si的性能参数(表1)，设计Mg2Si含量及Al基体组分。
根据电子封装盖板材料20～200℃热膨胀系数要求18.0±1.0×10-6/K，热导率要求高于150W/mK。
首先根据热膨胀系数18.0±1.0×10-6/K的要求和式(1)，假设Mg2Si含量为x，则Al含量为1-x，即
23.6·(1-x)+7.5·x＝18±1 (3)
由式(3)可得，Mg2Si含量为28.6％～41.0％可以满足合金的热膨胀系数要求。
进一步地，根据热导率≥150W/mK要求和式(2)，即
237·(1-x)+8·x≥150 (4)
由式(4)可得，Si含量低于38.0％可满足合金的热导率要求。因此，Al-Mg2Si合金中Mg2Si含量为28.6％～38.0％时，理论上可以同时满足热膨胀系数和热导率要求。
由于Mg2Si为脆性相，Al-Mg2Si合金随着Mg2Si含量增加塑性不断下降，因此选择Mg2Si含量为30％。
(2)Al-70％Mg2Si中间合金的制备：配取纯铝、纯镁、Al-90％Si中间合金，原位反应、并浇铸冷却后，得到Al-70％Mg2Si中间合金。
首先采用纯铝、纯镁和Al-90％Si中间合金进行配料，纯铝熔化后升温至1150～1250℃，添加Al-90％Si中间合金；精炼、除渣后降温至1100～1150℃以减少Mg的烧损，添加纯镁、在搅拌下原料反应20～30min；降温至1000～1050℃，水冷模浇铸，冷却即得Al-70％Mg2Si中间合金。
进一步地，所述精炼在氩气保护下进行，采用高纯氩气进行精炼，添加纯镁在高纯氩气保护下进行，并在电磁搅拌进行原位反应。
(3)喷射沉积制坯：根据S1的设计的合金组分，配取纯铝、步骤S2所制备的Al-70％Mg2Si中间合金，熔炼，然后经喷射沉积获得沉积锭坯。
首先将纯铝熔化，然后再加入步骤S2中所制备的Al-70％Mg2Si中间合金，熔炼后搅拌并保温，合金熔体经高压雾化、沉积和冷却后得到喷射沉积Al-30％Mg2Si锭坯。
进一步地，喷射沉积主要工艺参数包括：沉积盘旋转速度300-500r/min，沉积盘下降速度10-15mm/min，喷嘴直径2.8-3.0mm，沉积距离260-320mm，雾化压力0.8-1.2MPa。
进一步地，喷射沉积Al-30％Mg2Si合金锭坯的致密度为92％±3％。
(4)热挤压致密化处理：将步骤S3所得喷射沉积Al-30％Mg2Si合金锭坯进行热挤压致密化处理，获得致密化板坯。
锭坯的加热温度为400～460℃，保温时间为2～4h，挤压筒加热温度为360～380℃，挤压比为10～40，挤压后板坯界面尺寸为2.2～8×15mm，板坯的致密度大于99％。
(5)稳定化热处理：将S4所得Al-30％Mg2Si合金板坯进行退火处理，然后再进行高低温循环处理即得Al-30％Mg2Si合金盖板材料。
Al-30％Mg2Si合金板坯在280～320℃退火72～96h，保温结束后随炉降温；之后合金在125℃保温5min，然后快速冷却到-40℃，完成1次热循环去除内应力处理。
(6)合金成分优化：测试Al-30％Mg2Si合金板坯的力学性能和物理性能，观察显微组织与结构，优化Mg2Si含量和基体合金成分。
喷射沉积Al30％Mg2Si合金板坯的显微组织表征包括金相、扫描电镜等，力学性能包括抗拉强度、屈服强度、延伸率、抗弯强度和硬度，物理性能包括密度、热导率和热膨胀系数。
进一步地，所述步骤S6中，按照GB/T 20975规定的方法检验合金的化学成分；按照GB 3850或GB/T 1423规定的方法测定合金的密度，样件规格：20×20×10mm，致密度为实测密度与理论密度的比值乘以100％；按照GB/T 228规定的方法测定合金的抗拉强度；按照ASTM E1269或GJB 330A规定的方法测定合金的比热容，按照GB/T 22588或GJB1201.1规定的方法测定合金的热扩散系数，通过经典热导率公式计算得到热导率；按照GB/T 4339或GJB 332A规定的方法测定合金的热膨胀系数。
进一步地，测试结果显示，Al-30％Mg2Si合金的热膨胀系数为18.4×10-6/K，热导率为166W/mK，可以满足典型电子封装盖板对热膨胀系数和热导率的需求。
进一步地，Al-30％Mg2Si合金的热导率比指标要求高于10.7％，因此采用基体微合金化进一步提高合金的力学性能，微合金化选择铝合金中常用的强化元素Mn，Mn不与Mg和Si发生反应，在凝固过程中形成AlMn第二相起强化作用，由于Mn在Al中的室温固溶度≤0.3％，因此选择Mn的添加量为0.3％。
重复步骤S1～S5，获得喷射沉积Al-0.3％Mn-30％Mg2Si合金，合金的热膨胀系数为18.3×10-6/K，热导率为153W/mK，可以满足典型电子封装盖板对热膨胀系数和热导率的需求。
进一步地，喷射沉积Al-0.3％Mn-30％Mg2Si合金的密度仅为2.48g/cm3，室温抗拉强度为227MPa，抗弯强度为366MPa，相对Al-30％Mg2Si合金，抗拉强度和抗弯强度分别提高8.5％和9.7％。
本发明喷射沉积Al-0.3％Mn-30％Mg2Si合金电子封装盖板如附图3所示。
实施例2：
本实施例中一种Al-60％Mg2Si合金电子封装壳体材料的设计、制备和应用，请参阅附图1，具体步骤如下：
(1)合金成分设计：电子封装材料的性能指标要求以及Al和Mg2Si的性能参数(表1)，设计Mg2Si含量及Al基体组分。
根据电子封装壳体材料20～200℃热膨胀系数要求13.0±1.0×10-6/K，热导率要求高于100W/mK。
首先根据热膨胀系数12.0±1.0×10-6/K的要求和式(1)，假设Mg2Si含量为x，则Al含量为1-x，即
23.6·(1-x)+7.5·x＝13±1 (5)
由式(5)可得，Mg2Si含量为59.6％～72.0％可以满足合金的热膨胀系数要求。
进一步地，根据热导率≥100W/mK要求和式(2)，即237·(1-x)+8·x≥100(6)
由式(6)可得，Si含量低于59.8％可满足合金的热导率要求。因此，选择Mg2Si含量为60％。
(2)Al-70％Mg2Si中间合金的制备：配取纯铝、纯镁、Al-90％Si中间合金，原位反应、并浇铸冷却后，得到Al-70％Mg2Si中间合金。
首先采用纯铝、纯镁和Al-90％Si中间合金进行配料，纯铝熔化后升温至1150～1250℃，添加Al-90％Si中间合金；精炼、除渣后降温至1100～1150℃以减少Mg的烧损，添加纯镁、在搅拌下原料反应20～30min；降温至1000～1050℃，水冷模浇铸，冷却即得Al-70％Mg2Si中间合金。
进一步地，所述精炼在氩气保护下进行，采用高纯氩气进行精炼，添加纯镁在高纯氩气保护下进行，并在电磁搅拌进行原位反应。
(3)喷射沉积制坯：根据S1的设计的合金组分，配取纯铝、步骤S2所制备的Al-70％Mg2Si中间合金，熔炼，然后经喷射沉积获得沉积锭坯。
首先将纯铝熔化，然后再加入步骤S2中所制备的Al-70％Mg2Si中间合金，熔炼后，再加入Al-10Mn中间合金、搅拌并保温，合金熔体经高压雾化、沉积和冷却后得到喷射沉积Al-60％Mg2Si锭坯。
进一步地，喷射沉积主要工艺参数包括：沉积盘旋转速度400-500r/min，沉积盘下降速度12-15mm/min，喷嘴直径3.2mm，沉积距离280-320mm，雾化压力0.9-1.2MPa。
进一步地，喷射沉积Al-60％Mg2Si合金锭坯的致密度为91％±4％。
(4)热等静压致密化处理：将步骤S3所得喷射沉积Al-60％Mg2Si合金锭坯进行热等静压致密化处理，获得致密化合金。
热等静压加热温度为510℃，保温时间为210min，压力为120-150MPa，加热保温结束后锭坯随炉降温。
进一步地，经热等静压处理后Al-60％Mg2Si合金的致密度大于99％。
(5)稳定化热处理：将S4所得Al-60％Mg2Si合金进行退火处理，然后再进行高低温循环处理即得Al-60％Mg2Si合金壳体材料。
Al-60％Mg2Si合金在280～320℃退火72～96h，保温结束后随炉降温；之后合金在125℃保温5min，然后快速冷却到-40℃，完成1次热循环去除内应力处理。
(6)合金成分优化：测试Al-60％Mg2Si合金板坯的力学性能和物理性能，观察显微组织与结构，优化Mg2Si含量和基体合金成分。
喷射沉积Al-60％Mg2Si合金的显微组织表征包括金相、扫描电镜等，力学性能包括抗拉强度、屈服强度、延伸率、抗弯强度和硬度，物理性能包括密度、热导率和热膨胀系数。
进一步地，所述步骤S6中，按照GB/T 20975规定的方法检验合金的化学成分；按照GB 3850或GB/T 1423规定的方法测定合金的密度，样件规格：20×20×10mm，致密度为实测密度与理论密度的比值乘以100％；按照GB/T 228规定的方法测定合金的抗拉强度；按照ASTM E1269或GJB 330A规定的方法测定合金的比热容，按照GB/T 22588或GJB1201.1规定的方法测定合金的热扩散系数，通过经典热导率公式计算得到热导率；按照GB/T 4339或GJB 332A规定的方法测定合金的热膨胀系数。
进一步地，测试结果显示，Al-60％Mg2Si合金的热膨胀系数为13.7×10-6/K，热导率为103W/mK，可以满足典型电子封装盖板对热膨胀系数和热导率的需求，不需要进一步优化合金组分。
进一步地，Al-60％Mg2Si合金的密度仅为2.27g/cm3，室温抗拉强度为166MPa，抗弯强度为231MPa。
本发明喷射沉积Al-60％Mg2Si合金的SEM显微组织如图2所示，可以看出，Mg2Si相尺寸得到明显细化，呈连续网络状分布，未观察到尖锐的棱角。本发明Al-60％Mg2Si合金电子封装壳体如图4所示。
表1本发明中Al和Mg2Si的部分性能参数
Figure BDA0002744177270000111

Claims (10)

1.一种高Mg2Si铝合金的设计与快速凝固制备方法，其特征在于：包括如下步骤，
S1：合金成分设计：根据电子封装材料的性能要求，预设Mg2Si相含量；
S2：Al-70％Mg2Si中间合金的制备：配取纯铝、纯镁、Al-90％Si中间合金，原位反应并浇铸冷却后，得到Al-70％Mg2Si中间合金；
S3：喷射沉积制坯：根据步骤S1设计的合金成分，配取纯铝和步骤S2所制备的Al-70％Mg2Si中间合金、熔炼，然后经喷射沉积获得沉积锭坯；
S4：致密化处理：将步骤S3所得沉积锭坯进行致密化处理，获得致密化坯体；
S5：稳定化热处理：将步骤S4所得致密化坯体先进行退火处理，然后再进行高低温循环处理即得Al-Mg2Si合金；
S6：合金成分优化：测试Al-Mg2Si合金的力学性能和物理性能，观察显微组织与结构，优化Mg2Si含量和/或Al基体合金成分。
2.根据权利要求1所述的一种高Mg2Si铝合金的设计与快速凝固制备方法，其特征在于：
所述步骤S1中，根据电子封装材料对热膨胀系数、热导率的要求，先通过混合法则计算热膨胀系数：式(1)，和热导率式(2)，预设Mg2Si相的含量，
Figure FDA0002744177260000011
Figure FDA0002744177260000012
其中，α表示热膨胀系数，λ表示热导率，V表示体积分数。
3.根据权利要求1所述的一种高Mg2Si铝合金的设计与快速凝固制备方法，其特征在于：
所述步骤S2中，先将纯铝熔化，升温至1150～1250℃，添加Al-90％Si中间合金；精炼、除渣后降温至1100～1150℃，添加纯镁、在搅拌下原料反应20～30min；降温至1000～1050℃，水冷模浇铸，冷却即得Al-70％Mg2Si中间合金。
4.根据权利要求1所述的一种高Mg2Si铝合金的设计与快速凝固制备方法，其特征在于：
所述步骤S3中，先将纯铝熔化，然后再加入步骤S2中所制备的Al-70％Mg2Si中间合金，熔炼后，搅拌并保温，所得合金熔体经喷射沉积获得沉积锭坯；沉积锭坯的致密度≥85％。
5.根据权利要求1或4所述的一种高Mg2Si铝合金的设计与快速凝固制备方法，其特征在于：
所述步骤S3中，喷射沉积主要工艺参数包括：沉积盘旋转速度300-500r/min，沉积盘下降速度10-15mm/min，喷嘴直径2.8-3.5mm，沉积距离260-320mm，雾化压力0.8-1.2MPa。
6.根据权利要求1所述的一种高Mg2Si铝合金的设计与快速凝固制备方法，其特征在于：
所述步骤S4中，当步骤S3所得沉积锭坯中，Mg2Si的含量≥45％时，所述致密化的方法选自热等静压、热压烧结、放电离子烧结等中的一种，所述致密化处理的过程为：先于360～420℃保温1～2h，然后再升温至480～560℃，保温时间为1～6h，升温速率为10～40℃/h，降温速率为20～50℃/h，压力为120～500MP，保温结束后随炉降温；
当步骤S3所得沉积锭坯中，Mg2Si的含量＜45％时，所述致密化的方法选自热挤压、热锻造、热轧等中的一种，所述致密化处理过程中，锭坯的加热温度为360～520℃，保温时间为2～4h。
7.根据权利要求1所述的一种高Mg2Si铝合金的设计与快速凝固制备方法，其特征在于：
所述步骤S5中，所述退火温度为280～360℃，保温时间为24～96h，保温结束后随炉降温；所述高低温循环次数为1～3次，所述单次高低温循环过程为：先升温至125～275℃保温5min，然后快速冷却到-40～-176℃保温1min。
8.根据权利要求1所述的一种高Mg2Si铝合金的设计与快速凝固制备方法，其特征在于：所述步骤S6中，合金成分优化的具体过程为：当热膨胀系数和热导率无法满足指标要求时，调整Mg2Si相含量；在热膨胀系数和热导率满足要求的情况下，通过在铝基体中添加合金化元素，提高Al-Mg2Si合金力学能，所述合金化元素的添加量为0.1-1.0％，所述合金元素选自Mg、Mn、Nd、Sc、Zr中的至少一种。
9.根据权利要求1-8所述的制备方法所制备的高Mg2Si铝合金。
10.根据权利要求1-8所述的制备方法所制备的高Mg2Si铝合金的应用，其特征在于：将所述高Mg2Si铝合金应用作为电子封装壳体材料或电子封装盖板材料。
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