[发明专利]一种制备高SiC颗粒体积分数高性能结构件工艺

说明书

技术领域

本发明属于高性能结构件成形领域，特别是提供了一种用半固态技术制备高SiC颗粒体积分数高性能结构件工艺。

背景技术

现代科学技术的进步对材料科学与工程技术的要求日益提高，开发新型高性能复合材料以及其先进加工技术已经成为广大高科技企业需要迫切解决的问题，这一现象在电子封装领域体现得更为明显。航空航天、电子通信的飞速发展要求电子元器件能够具有更高的集成度、更快的运行速度和更大的容量，使电子器件和电子装置中元器件的复杂性和密集性日益提高，这必然会导致电路发热量提高、工作温度上升，而稳定性下降。据计算，在半导体器件中，温度每升高20℃，失效的可能性就增加3-4倍。目前，用于封装领域的高SiC颗粒体积分数复合材料结构件主要通过用粉末注射法(SiC预制坯+液态金属熔渗)制备加工。该方法的主要缺点是：①加工工艺流程长，成本高；②SiC与基体金属界面润湿性差，且易形成不利的中间相；③SiC颗粒体积分数上不去，热导率提高能力有限；④SiC预制坯在液态金属熔渗时易被压塌，且不易充满，制备加工的结构件气密性差；⑤只能做简单形状的零件；⑥规模化生产能力差。

所谓半固态加工是对具有一定液相组分的固液混合浆料进行压铸、挤压或模锻成形，是一种介于普通铸造(纯液态)和锻压(纯固态)之间的成形方法(M.C.Flemings.Behavior of Alloys in Semi-solidState.Metallurgical Transactions，1990，Vol.22B：269-293)。半固态浆料具有流变性和触变性，变形抗力非常小，因而可以成形断面十分复杂的零件，实现近净成形，并且缩短了加工周期，提高了材料利用率，有利于节能节材。半固态成形时，液相与固相容易偏析和分离。一般认为，半固态成形过程中液相与固相偏析和分离会导致成形件中成份组织分布不均，从而产生组织性能和力学性能分布不均，对使用性能产生不利影响。在SiC颗粒增强A356铝合金复合材料半固态触变挤压成形中，通过对成形件部分区域的显微组织观察发现，SiC增强颗粒分布密度随着半固态浆料充填行程的不断增加呈不断上升的趋势，与半固态成形中液相流动及分布规律一致。其根本的原因是由于在半固态浆料中SiC增强颗粒主要分布于以β-共晶相存在的液相中的缘故，在随后的半固态挤压成形中SiC增强颗粒随着液相流动到零件的边部或顶部，增加的幅度约为成形前复合材料中SiC颗粒体积分数的2-3倍。这表明，SiC颗粒体积分数的提高可以通过对液相分数分布规律进行控制来实现，也就是可用低SiC体积分数的颗粒增强复合材料通过半固态挤压成形得到高SiC体积分数的高性能结构零件，从而降低热膨胀系数。实现把半固态成形中液相与固相偏析和分离的不利因素转化为制备与成形高SiC颗粒体积分数复合材料结构件时的有利因素。

实际上，金属(复合)材料以及超导材料的导热、导电性能除了与(复合)材料本身成份结构相关外，与其加工过程中形成的形变织构有很重要的关系。目前国内外用SiC预制坯的Al液或Cu液润浸法制备高性能封装用结构件仍是走传统铸造成型的道路，所得到的复合材料结构件显微组织中无明显形变织构，也就是说，所制备加工的封装用结构件是各向同性。在半固态挤压成形过程中，浆料是在一定的压力下由模具挤入模腔，其中的α-相在充填过程中会被拉长，形成与充填方向相一致的有利织构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用半固态技术制备高SiC颗粒体积分数颗粒增强复合材料高性能结构件工艺，克服了用粉末注射法制备高SiC体积分数复合材料结构件时存在的SiC体积分数‘上不去’、加工路线长、生产成本高等问题，利用半固态挤压成形中液相与固相偏析和分离的特征，制备加工高SiC颗粒体积分数颗粒增强复合材料高性能结构件。

具体工艺步骤如下：

(1)在80℃-120℃对块状基体金属合金进行干燥处理后，在电阻炉中加热熔化，合金在完全熔化后保温静置20-30分钟；

(2)向保温静置后的合金液加入体积分数为10％-30％SiC颗粒，边加入边均匀搅拌，同时控制冷却到半固态温度区间，得到SiC体积分数为10％-30％的颗粒增强复合材料半固态浆料；

(3)所述的SiC颗粒增强金属基复合材料半固态浆料在成形模具中挤压成形得到SiC颗粒体积分数为40％-60％的结构件：成形速度控制在80mm/s-140mm/s，模具预热温度设为200℃-300℃，成形压力设为400KN-600KN，保压时间设为5-10秒。