CN116694963A - 一种原位金属基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种原位金属基复合材料及其制备方法,使用球形金属粉末作为原料,以原位反应法制备具有环形/球形结构的AlN强化相材料。其制备过程包括:金属粉末混合、成型及生坯制备、氮气烧结。与现有技术相比,该方法具有制备工艺简单,成本低,可批量制备复杂形状零件的特点,烧结得到的材料晶粒细小,成分均匀,致密度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝合金复合材料及其制备方法,具体涉及一种原位铝基复合材料及其制备方法。
背景技术
氮化铝具有低的密度、热膨胀系数、高电阻率和高的热导率,在20℃~400℃的热膨胀系数为2.5×10-6K-1,与Si相近;室温下理论热导率为319W/(m·K),但在杂质的影响下,其热导率常为80~260W/(m·K)。它具有广泛的应用,如电子基板、保护涂层、光电部件、散热器、切割工具、高功率芯片及聚合物和玻璃材料的填料等。此外,AlN不仅可以像碳化硅或氧化铝一样提高铝合金基体的模量、强度、硬度、耐磨性和耐火性,而且不会发生界面反应。因此,基于材料特性,Al/AlN复合材料可作为热沉材料、电子封装材料和大规模集成电路散热元件等。
原位复合金属基复合材料(in-situ reaction metal matrix composite)指增强体非外部加入,而是由基体组分间自生反应合成的金属基复合材料。材料优势在于增强相直接从基体中生成,形成的增强相杂质更少,不存在润湿和界面反应问题,分布相对其它方式引入更均匀,所获得的材料性能更好。
目前Al-AlN复合材料的原位复合发制备方法有:压力渗透法、热压烧结法、挤压铸造法、喷射沉积、氮气起泡法以及原位还原法等。所制备材料致密度可达98%以上,但现有技术或是高质量氮化铝粉末成本、设备要求高;或是需要高温高压烧结,对能源损耗大;或是制备形状受限,仅能制备简单的方块状/薄片状材料;或是AlN分布不均匀,使材料性能受影响。上述这些问题限制了目前Al/AlN复合材料的应用。
发明内容
为解决现有问题,提供了一种具有环形/球形AlN结构的原位金属基复合材料及其制备方法。所提供的制备方法过程简单,原材料要求不高,设备能力要求低,获得的材料成分均匀、组织细小、性能优良,是一种运用低成本获得高性能Al/AlN复合材料的有效方法,有利于Al/AlN复合材料的推广。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种原位金属基复合材料,材料原位反应生成具有环形/球形结构的AlN作为强化相,材料成分中Mg元素的质量分数≥0.5%,Sn元素的质量分数为0.3~1%,Si或Cu的质量分数为4~10%。
一种原位金属基复合材料的制备方法,制备过程包括:金属粉末混合、成型及生坯制备、氮气烧结;
所述金属粉末中,Al及其预合金粉末为球形粉末;
所述成型及生坯制备方法为注射成型和压制成型中的一种:
所述注射成型为,以一定比例粘接剂与粉末混合制成喂料,经注射机注射成型,脱脂后获得20~40%孔隙率的生坯;
所述压制成型为,以一定比例粘接剂与粉末混合均匀,控制压胚体积,脱脂后获得20~40%孔隙率的生坯。
优选的方案,所述金属粉末原料包括:Al粉、Al预合金粉末、Sn粉、Mg粉、Cu粉、Al-Si中间合金粉末、Al-Mg中间合金粉末;Al及其合金粉末氧含量≤0.8%。
优选的方案,烧结工艺为:分两段升温,第一段以1~10℃/min升温至400~480℃,保温1~3H,第二段以5~7℃/min升温至580~620℃,保温1~2H,全程通高纯氮气。
优选的方案,烧结后材料的致密度≥98.5%。
原理与优势
本发明添加一定量Mg元素,通过化学反应破除表面Al及其合金粉末的氧化膜,使基体暴露于N2氛围中,实现后续金属粉末的氮化与烧结。Sn的熔点为231.89℃,液态锡可降低合金液相的表面张力,提高液相对Al的润湿性,并且Al在Sn液相中扩散快,少量的Sn就能促进致密化,但过量的Sn会在低温时就附着于破膜后粉末基体表面阻碍氮化过程,不利于AlN的形成。
在高纯氮气氛围进行氮化和烧结,通过调整孔隙率、升温速率和液相生成条件,控制氮化铝膜的厚度和分布状态以及烧结致密化过程。烧结时铝及其合金粉末表面要形成环状AlN,这就要求粉末大部分表面暴露于氮气氛围中,表面破除氧化铝膜后的基体持续与氮气反应形成环形/球形AlN膜,过大或过小的孔隙率均不利于产品。过大的孔隙率会导致烧结困难,无法致密;过小的孔隙率会导致粉末颗粒之间接触紧密,与氮气接触面积小,无法持续形成AlN。控制升温速率是为了保证AlN膜的有效生成,同时提高生产效率。过快的升温速率导致液相快速生成,润湿基体表面,阻碍氮化过程,氮化时间短,膜厚小,无法起到强化作用;过慢的升温速率则使氮化时间过长,粉末表面完全被氮化膜包裹,基体后续无法进行物质交换,由柯肯达尔效应导致粉末内部形成孔洞,无法致密化。Si与Cu是作为致密化元素添加,其在低温时不出现大量液相,破膜后的基体不被液相所包裹,防止基体无法与氮气接触;在高温时(550℃后)与Al反应产生共晶液相,润湿氮化后的粉末,填充孔隙,实现致密化。
本发明的优势在于,Al/AlN复合材料制备过程简单,难度低,可实现批量化,可制备复杂形状样品,烧结温度低,对能源的损耗小,是一种低成本、高效率的复合材料制备方法。原位反应生成AlN的制备方法使AlN的纯度提高,不存在界面污染、润湿和界面反应的情况,AlN分布十分均匀;粉末颗粒经烧结后不长大,组织大小可通过原始粉末大小控制,使用低粒度的粉末原料可获得更细小的晶粒,起到细晶强化效果,提高材料的力学性能。
附图说明
图1复合材料组织示意图
图2对比例5中慢速升温烧结后材料的显微图片
实施方式
以下结合三个实施例对本发明方法作进一步说明。
实施例
一种原位金属基复合材料及其制备方法,其过程如下:
A、金属粉末混合:粉末原料为粒度45μm的Mg粉、Al粉、AlSi10及Sn粉,其中Al的氧含量为0.6%,以0.5%Mg、0.5%Sn、5%Si、余量为Al的质量比称量并加入1:1的研磨球,在混粉机上混合1h,之后过筛除球,获得无变形的均匀混合粉末。
B、成型及生坯制备:以65%的装载量(体积比),将混合粉末与蜡基粘接剂在密炼机中混合均匀获得喂料,经过注射机变为所需形状的材料,首先将材料在正庚烷溶剂中35℃浸泡10H脱脂,之后在脱脂炉中以3℃/min升温至300℃保温60min,再3℃/min升温至420℃保温90min,完成脱脂,获得约35%孔隙率的生坯。
C、氮气烧结:将生坯置于烧结炉中,先抽真空排除大部分空气,再通入高纯氮气,保持炉内气压≥7WPa,之后分两段升温,第一段以5℃升温至450℃,保温2H,第二段以5℃/min升温至580℃,保温1H。
D、材料密度:获得致密度98.5~99.6%。
实施例
一种原位金属基复合材料及其制备方法,其过程如下:
A、金属粉末混合:粉末原料为粒度45μm的Mg粉、Al粉、Sn粉及Cu粉,其中Al的氧含量为0.6%,以0.5%Mg、0.5%Sn、4.5%Cu,余量为Al的质量比称量并加入1:1的研磨球,在混粉机上混合1h,之后过筛除球,获得无变形的均匀混合粉末。
B、成型及生坯制备:粉末中加入3%石蜡,将粉末装入模具后,控制下压量获得一定体积的材料,保护性气体下300℃保温1.5H脱脂后获得20%孔隙率的生坯。
C、氮气烧结:将生坯置于烧结炉中,先抽真空排除大部分空气,再通入高纯氮气,保持炉内气压≥7WPa,之后分两段升温,第一段以5℃升温至450℃,保温2H,第二段以5℃/min升温至610℃,保温1H。
D、材料密度:获得致密度98.7~99.6%。
实施例
一种原位金属基复合材料及其制备方法,其过程如下:
A、金属粉末混合:粉末原料为粒度30μm的2014预合金粉、45μm的Al50Mg粉末、Sn粉,其中2014预合金粉的氧含量为0.4%,以1.5%Mg、1%Sn质量比加入2014预合金粉末中并添加1:1的研磨球,在混粉机上混合1h,之后过筛除球,获得无变形的均匀混合粉末。
B、成型及生坯制备:以60%的装载量(体积比),将混合粉末与蜡基粘接剂在密炼机中混合均匀获得喂料,经过注射机变为所需形状的材料,首先将材料在正庚烷溶剂中35℃浸泡10H脱脂,之后在脱脂炉中以3℃/min升温至300℃保温60min,再3℃/min升温至420℃保温90min,完成脱脂,获得约40%孔隙率的生坯。
C、氮气烧结:将生坯置于烧结炉中,先抽真空排除大部分空气,再通入高纯氮气,保持炉内气压≥7WPa,之后分两段升温,第一段以5℃升温至460℃,保温2H,第二段以7℃/min升温至620℃,保温1H。
D、材料密度:获得致密度98.8~99.7%。
对比例1
本对比例采用与实施例1基本相同的方法,不同的是所用粉末形状非球形,结果烧结得到的AlN为非环形/球形。
对比例2
本对比例采用与实施例2基本相同的方法,不同的是孔隙率分别为10%和45%,不同孔隙率的结果分别为:1.AlN非环形/球形分布于晶间,颗粒之间接触面积大,最后晶粒长大;2.烧结不致密,致密度90~92%。
对比例3
本对比例采用与实施例1基本相同的方法,不同的是不加入AlSi10粉,结果烧结不致密,致密度89~91%
对比例4
本对比例采用与实施例1基本相同的方法,不同的是Mg粉或Sn粉的添加量,结果如下表所示。
编号 | Mg含量 | Sn含量 | 评价 |
1 | 0 | 0.5 | 致密度85~87% |
2 | 0.5 | 0 | 致密度95~95.5% |
3 | 0.5 | 4 | 无明显AlN形成,晶粒长大 |
对比例5
本对比例采用与实施例1基本相同的方法,不同的是第二段升温速率分别为1℃/min和10℃/min,不同升温速率的结果分别为:1.粉末表面完全被AlN包裹,内部形成孔洞,材料无法致密化;2.无明显AlN生成。
以上所述实例仅是本发明较优的实施方法,故不能以此限定本发明的实施范围,其他按照本发明的原理和内容所做的等效改变、修饰、替代和组合,都仍属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种原位金属基复合材料,其特征在于,材料原位反应生成具有环形/球形结构的AlN作为强化相,材料成分中Mg元素的质量分数≥0.5%,Sn元素的质量分数为0.3~1%,Si或Cu的质量分数为4~10%。
2.一种原位金属基复合材料的制备方法,其特征在于,制备过程包括:金属粉末混合、成型及生坯制备、氮气烧结;
所述金属粉末中,Al及其预合金粉末为球形粉末;
所述成型及生坯制备方法为注射成型和压制成型中的一种:
所述注射成型为,以一定比例粘接剂与粉末混合制成喂料,经注射机注射成型,脱脂后获得20~40%孔隙率的生坯;
所述压制成型为,以一定比例粘接剂与粉末混合均匀,控制压胚体积,脱脂后获得20~40%孔隙率的生坯。
3.根据权利要求2所述的一种原位金属基复合材料的制备方法,其特征在于,所述金属粉末原料包括:Al粉、Al预合金粉末、Sn粉、Mg粉、Cu粉、Al-Si中间合金粉末、Al-Mg中间合金粉末;Al及其合金粉末氧含量≤0.8%。
4.根据权利要求2所述的一种原位金属基复合材料的制备方法,其特征在于,烧结工艺为:分两段升温,第一段以1~10℃/min升温至400~480℃,保温1~3H,第二段以5~7℃/min升温至580~620℃,保温1~2H,全程通高纯氮气。
5.根据权利要求2所述的一种原位金属基复合材料的制备方法,其特征在于,烧结后材料的致密度≥98.5%。
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