高硅鋁合金粉末制備工藝及其綜合性能分析

黃秋良，霍冬亮，疏 敏，劉 鵬

（內蒙古旭陽新材料有限公司，內蒙古 霍林郭勒 029200）

0 引言

隨著現代化社會的不斷發展，世界能源極度緊缺，導致各種資源價格上漲，同時還引發了大量環境問題[1]。鋁合金材料具有較高的強度和抗腐蝕性，同時，還能夠持續進行散熱，性能良好。目前，大部分的設備零件以鋼鐵材料為主，運用傳統制備方法難以有效制備鋁合金粉末。由于傳統方法沒有合適的制備燒結規劃，選擇的制備材料緊密度較低，制備過程中材料熱導率下降，空隙率提升難以達到預期效果。因此，本文對高硅鋁合金粉末制備工藝進行研究，深入分析綜合性能，結合實際情況進行實驗。

1 實驗準備

1.1 材料部分

設定研究對象為Al-30%Si 體系。實驗所使用的初始材料純度為99.2%、3～10 μm 粒度的硅粉。純Si的相對分子質量為32，密度為4 g/cm3，熔點和沸點均較高。硅粉顆粒通常為不規則四邊形，也存在一小部分塊狀物。鋁粉純度約為95.3%，15～21 μm 粒度，鋁粉顆粒大多數為球形或類似圓形。純Al 的相對分子質量為30，密度為3.1 g/cm3。碳納米管粉末長度為5～20 μm，碳納米管一般為長度較長的管狀類型。Si管形狀不規整，多見棱角分明的形狀。將不同組選擇好的原始材料按照設定的比例進行充分攪拌，混合后得到實驗所用的材料[2]。實驗設備有：1 臺行星式球磨機、1 臺DF-2 集熱式恒溫磁力攪拌器和1 臺循環水式多用真空設備，實驗所用到的電爐和真空電爐均符合標準。同時，還需配備DTR333 測試分析儀和天平。

1.2 澆筑工藝

要想獲得較好性能的復合材料，關鍵是要先制備出高性能的骨架預制件[3]。由于溫度提升時，烙液的吸氣程度、氧化程度會提升，這將會影響合金烙煉的質量，造成一定的損失。為預防鑄件晶粒粗大，在制作時產生裂紋、出現大量空隙，發生疏松現象，鉛鑄件通常選用較低的澆筑溫度，為合金液相線溫度的10 倍左右。澆筑溫度對鑄造初態硅的大小、狀態及分布存在一定影響。初態硅的含量會根據鑄型濕度的變化而發生改變。隨著澆筑溫度不斷增加形成多種變化形式。Al-20%Si 最適合鑄型的溫度為120 ℃。不同含量的澆筑溫度均有不同。CuP14 合金對高硅鉛合金中的初態硅有變質作用。變質后，材料中初態硅的數量隨之增加。在原料表面加入碳，最終獲得不同體積和孔徑大小的試驗樣本材料，再在這個樣品的基礎上加入鋁硅合金。在合金的烙煉過程中，添加適量的變質劑，能夠改善制備目標的狀態、大小和分布。經過固態擴散處理后，高硅鉛合金的組織形態發生變化，減少了長針狀共晶體出現顆粒化的現象。為獲得更為理想的材料，需要進行較長時間的保溫處理。

1.3 冶金法燒制粉末

運用液相燒結可加強原料的緊實度，使顆粒進行重新排列，補充液體的相對間隙[4]。在進行燒結時，正常的潤濕角通常小于90°。固體在液體里面存在溶解度，但液體在固體中的溶解度較低，通過燒結，可提升溶解效果。選擇合適的液相體積分數，在正常情況下的冷卻階段里，全部將固相的顆粒間隙填充完整，控制在15%～60%中。

為了獲得致密度更高的Al-Si 復合材料，實驗采用液相燒結的方式制備Al-Si 復合材料。當液相對固相是相對潤濕的條件時，潤濕角＜90°。當液相對固相不潤濕時，潤濕角＞90°。液相對固相完全潤濕時，潤濕角＝0°。當液相對固相完全不潤濕時，潤濕角＝180°。良好的潤濕性對液相固結具有較好的促進作用[5]。在平衡條件下計算潤濕性，公式為：

式中：γs為固相表面張力；γg為液相表面張力；γsg為固液之間的界面張力；θ 為潤濕角。當Al 液相與Si 固相接觸時，液固兩相接觸面有擴大的趨勢，表示為浸潤現象。當液相接觸固相，接觸面有縮小的趨勢，表示為不浸潤現象。液相和固相之間的接觸面越大，液相越能更好地填充固相顆粒間的空隙，燒結效果更好，材料的相對密度更高。因此，當液相對固相浸潤時，即：潤濕角θ＜90°，液相才能浸入固相顆粒的空隙，甚至晶粒間隙。液相潤濕固相平衡圖如圖1 所示。

圖1 液相潤濕固相平衡圖

當cos θ＜0 時，液相才能潤濕固相。因此，減小潤濕角θ，將增大液相表面，對潤濕有利。運用FR-33 型高能臥式轉子球磨機快速撞擊目標，用撞擊產生的能量進行研磨，將分散的粉末整合。為了準確分析研磨過程中粉末的結構與相組織變化，在氬氣保護下，選擇不同的材料比進行配制。設定不同轉速與研磨時間，通常為1～6 h。研磨合金粉末，并對其組織結構進行SEM衍射檢驗與分析。同時，對粉末進行包套，材料選擇強度高、塑性強的5725 鋁合金，包裝好粉末后蓋上并焊合。運用機械設備進行振實，并用細密銅網填充，避免排氣過程中有粉末從導管內被吸走。粉末包套真空除氣設備一般由真空擴散設備和電阻加熱器組成[6]。將粉末導入包套以后，將包套與真空擴散裝置進行連接，運用擴散設備對包套內粉體進行疏通，通過減少在粉末表面存在的液體實現分解，并經過擴散設備完成排出。

2 綜合性能分析

對粉末制備過程中的綜合性能進行分析，探究燒結溫度對性能產生的影響。根據高鋁硅合金制備試驗結果進行材料性能分析，繪制兩種不同的燒結升溫曲線：燒結升溫曲線和液相燒結曲線，如圖2、圖3所示。

圖2 燒結升溫曲線

圖3 液相燒結曲線

直接進行液相燒結，曲線呈現出嚴重的滲出問題，究其原因，可能是低溫固相燒結時間減少，升溫速度快而造成的。燒結后材料的脆性明顯，致密度依舊變得較差。而相比于直接液相燒結曲線，燒結升溫曲線由于高硅鋁合金的共晶溫度點較低，在低溫環境中保持相對溫度的時間較長。這時二元部分完成對應的固化反應，形成小部分的固溶體。隨著材料的溶點不斷增加，溫度也隨之緩慢變化。固化反應依次進行，雖然在此過程中會出現少量的液相，但燒結反應還在進行，并得到較好的反應結果。由于多出兩個溫度點，使得固溶體的形成更加穩定，材料致密度得到提升。對燒結升溫曲線的趨勢進行分析，提升燒結材料的強度，可以減少相對脆性，致密度程度逐漸增加。升溫速率減慢，材料的出汗現象會明顯減少，孔隙率降低，緊密度更強。

3 結語

通過對高硅鋁合金粉末制備工藝進行分析和改進，提升了材料的緊密程度，實現了對于高硅鋁合金的粉末制備和安全施工。但該設計還存在不足之處，如粉末振實的質量把控問題，施工工期時間分配問題等。今后，在提升燒結效果的同時，還要優化施工工藝，減少施工誤差，提升施工效果。在選擇制備材料時要按照具體標準進行，嚴格控制材料質量。