[发明专利]一种高体积分数硅颗粒增强铝基复合材料的制备工艺

说明书

技术领域

本发明涉及颗粒增强金属基复合材料技术领域；特别涉及一种高体积分数硅颗粒增强铝基复合材料的制备工艺。

背景技术

颗粒增强铝基复合材料具有高比强度、高比刚度、低膨胀、高导热、抗疲劳、各向同性等优异的综合性能，且颗粒增强体成本低、制造工艺简单价廉。经过过去30年的发展，该类材料已经在航空航天、汽车及微电子等领域获得规模应用，有望成为继铝合金和钛合金后的另一种新型结构材料。硅的密度(2.33g/cm³)比铝合金低14％，它具有极低的膨胀系数、高导热率、高刚度，且加工性能好于陶瓷，硅颗粒增强铝基复合材料(Si/Al)是最新发展起来的一种轻质的先进材料，由于铝硅之间具有良好的润湿性，无界面反应，复合材料能够很好地发挥出增强体和基体的特性，因此可在大范围内调控Si的含量来制出结构-功能一体化、成型性好、机加工性能良好的Si/Al复合材料。

高体积分数Si/Al复合材料(Si含量不低于50vol％)具有低膨胀、高导热、高刚度、易加工的综合优势，有望替代高体分SiC/Al复合材料作为微电子封装的应用，同时可通过高精密机加工制出具有复杂形状的大尺寸功能/结构部件，在不损失性能的同时可大大降低零部件自重，以期满足航空航天关键领域的特殊应用。

高体分硅颗粒增强复合材料主要采用液相浸渗法(200410043855，200510024032)和喷射沉积法(200410039057)制得，尽管液相法可制出致密均匀的复合材料零部件，但由于颗粒尺寸过大(50～150μm)，致使材料的力学性能和机加工性能差；同时由于硅可固溶于铝中，在液相环境中颗粒体分与形貌、复合材料界面难以控制。而采用喷射沉积法制备的高体分Si/Al不致密，且无法制得大尺寸坯锭。因此必须开发出一种适合于制备组织细小均匀、综合性能优异、大尺寸、高体分Si/Al复合材料的工艺。

发明内容

本发明的目的在于实现一类高致密、组织细小均匀的高体分Si/Al复合材料的工艺。

本发明的上述目的是通过以下技术方案达到的：

一种高体分Si/Al颗粒增强复合材料的制备工艺，包括以下步骤：

一种高体分Si/Al颗粒增强复合材料的制备工艺，是采用粉末冶金工艺制备Si含量为50vol.％～80vol.％，Al或Al合金含量为20vol.％～50vol.％的复合材料坯锭，具体实施步骤为：

(1)将预制的纯铝粉或合金铝粉与经过表面处理的硅粉按照纯铝粉或合金铝粉与纯硅粉的质量比1∶0.86～2.1均匀混合制成复合粉末，以使硅颗粒的体积分数为50vol.％～80vol.％；

(2)将混合粉末装入金属模具中进行冷压成型，或者将混合粉末封装于胶皮包套中进行冷等静压成型；

(3)将冷压成型或冷等静压成型的坯锭装入钢模具中热压致密化，得到高体分Si/Al颗粒增强复合材料；或者将冷压成型或冷等静压成型的坯锭封装入金属包套中进行高温除气处理，将封装并除气后的坯锭进行热等静压致密化，得到高体分Si/Al颗粒增强复合材料。

在本发明的高体分Si/Al颗粒增强复合材料的制备工艺中，在所述的步骤(2)中，将混合粉末冷压或装入包套冷等静压成型，冷压压力为90～150MPa，冷压坯相对致密度为50％～80％，冷压时间为10～30分钟。

在本发明的高体分Si/Al颗粒增强复合材料的制备工艺中，在所述的步骤(3)中，将冷压成型或冷等静压成型的坯锭封装入金属包套中进行高温除气处理，除气温略高于铝合金固相线，可在505℃～600℃范围内选择，根据不同尺寸的坯锭，除气时间为1～30小时。除气的目的在于去除粉末表面吸附的水汽。

在本发明的高体分Si/Al颗粒增强复合材料的制备工艺中，在所述的步骤(3)中，高温加压致密化，将封装并除气的坯锭加热至铝合金固相线以上温度进行，温度可在505℃～600℃范围内选择，保压压力为75～150MPa，在此温度压力下保持1～3小时，然后随炉冷却至室温；(5)采用车削等方法将热压锭加工成圆柱或其他形状坯锭，以备性能测试或进一步机加工。

在本发明的高体分Si/Al颗粒增强复合材料的制备工艺中，所制得的复合材料中Si颗粒的体积分数为50vol.％～80vol.％，铝或铝合金的体积分数为20vol.％～50vol.％。

在本发明的高体分Si/Al颗粒增强复合材料的制备工艺中，所制得的复合材料具有细小均匀的组织和完全致密；Si颗粒弥散分布于铝基体中，Si颗粒的粒径为3～25μm。