高硅铝合金件及其制备方法

1.本发明涉及合金材料的制备技术领域，具体而言，涉及高硅铝合金件及其制备方法。


背景技术：

2.作为新一代环境友好的轻质电子封装材料，高硅铝合金因其优良的热导性、耐磨性、抗蚀性、耐热性，高的刚度和比强度等优点，已用于制备航空航天飞行器电子系统、卫星基站、移动通讯系统和交通运输等领域电子器件散热的封装壳体。目前高硅铝合金主要采用喷射工艺制备成块体，后经热等静压致密化(如专利cn102978485a、cn105986134a、cn112746200a、cn106435292b)。为制备成适合的电子封装壳体材料，通常采用铣削刀具将块体高硅铝合金加工成壳体零件。
3.采用现有方法制备高硅铝电子封装壳体等复杂构件存在制备周期长、刀具消耗量大、成本高的缺点。
4.鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供高硅铝合金件及其制备方法，旨在改善背景技术提到的至少一种问题。
6.本发明是这样实现的：
7.第一方面，本发明提供一种高硅铝合金件的制备方法，包括：
8.将铜含量为1～6wt％的高硅铝粉作为原料粉，采用激光选区熔化工艺制造高硅铝合金件。
9.在可选的实施方式中，选区熔化设备的成型舱底部设置有基板，基板与目标高硅铝合金件的膨胀系数相同。
10.在可选的实施方式中，高硅铝粉中硅含量为50～70％，余量为铜和铝；
11.优选地，基板的成分为硅铝合金，其中硅含量与高硅铝粉含量相同。
12.在可选的实施方式中，在进行激光选区熔化制造高硅铝合金件之前，将成型舱预热至100～300℃。
13.在可选的实施方式中，激光选区熔化工艺制造高硅铝合金件的过程中，构建高硅铝合金件的三维模型，对模型进行切片，切片厚度为20～40μm，将切片后的模型导入激光选区熔化设备的控制系统中，进行激光选区熔化。
14.在可选的实施方式中，进行激光选区熔化工艺制造时，激光功率为100～300w、扫描速率为500～1000mm/min，扫描间距为50～150μm，后一层的激光扫描方向与前一层的激光扫描方向夹角为60～75
°
。
15.在可选的实施方式中，在进行激光选区熔化制造高硅铝合金件之前包括：
16.将原料粉置于选区熔化设备舱室内，以氩气作为保护气，使设备舱内的氧含量≤
500ppm。
17.在可选的实施方式中，高硅铝粉的颗粒粒径为300目至1000目。
18.在可选的实施方式中，在进行激光选区熔化制造高硅铝合金件之前包括：
19.将纯铜粉、硅粉和铝粉置于三维混料机中在转速100～200r/min下混合搅拌15～25min得到混合粉；然后将混合粉置于温度80～150℃的环境下干燥至少1h。
20.第二方面，本发明提供一种高硅铝合金件，采用如前述实施方式任一项的制备方法制得。
21.本发明具有以下有益效果：
22.本技术实施例提供的高硅铝合金件的制备方法，采用激光选区熔化工艺制造高硅铝合金件，通过向高硅铝粉中添加合适量的铜粉，通过铜来达到熔池凝固过程中抑制硅相的生长以及促进硅相的球化，从而来抑制激光选区熔化过程中裂纹的萌生和扩展，进而获得力学性能好的高硅铝合金件的目的。因此，本技术实施例提供的高硅铝合金件的制备方法，由于采用激光选区熔化工艺制造高硅铝合金件，制备周期短，不存在刀具消耗，成本低，且能获得近乎全致密且力学性能良好的高硅铝合金件。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
24.图1为现有激光选区熔化技术制备的alsi60合金件的实物图；
25.图2为实施例1制备过程中构件的三维模型图；
26.图3为实施例1制备得到的高硅铝合金壳体的实物图；
27.图4为对比例1制得的高硅铝合金壳体的sem图；
28.图5为实施例1制得的高硅铝合金壳体的sem图；
29.图6为对比例1制得的高硅铝合金壳体的esd分层图像；
30.图7为实施例1制得的高硅铝合金壳体的esd分层图像；
31.图8为实施例1制得的高硅铝合金壳体的透射电镜图；
32.图9为实施例1制得的高硅铝合金壳体的拉伸应变-应力曲线图。
具体实施方式
33.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
34.下面对本发明实施例提供的高硅铝合金及其制备方法进行具体描述。
35.激光选区熔化技术是一种先进的近净成形技术，该技术以激光为热源，首先在计算机中绘制零件的三维模型图，后采用切片软件将模型按照一定的方向分成等厚度的片层，并规划好每层的路径，最后在金属粉末床内对粉末进行逐层激光选区熔化形成零件，是
一种先进的近净成形技术，且获得的零件晶粒细小、致密度高，制造周期短和成本低。
36.但发明人发现由于高硅铝合金韧性差，大尺寸的壳体零件在激光选区熔化过程中极易因拘束应力等作用而发生开裂，直接采用高硅铝粉末制造高硅铝合金件难以得到品质令人满意的产品。鉴于此原因，发明人提出了如下技术方案。
37.本技术实施例提供的高硅铝合金件的制备方法，包括：
38.将铜含量为1～6wt％的高硅铝粉作为原料粉，采用激光选区熔化工艺制造高硅铝合金件。
39.本技术实施例提供的高硅铝合金件的制备方法，采用采用激光选区熔化工艺制造高硅铝合金件，通过向高硅铝粉中添加合适量的铜粉，通过铜来达到熔池凝固过程中抑制硅相的生长以及促进硅相的球化，从而来抑制激光选区熔化过程中裂纹的萌生和扩展，进而获得力学性能好的高硅铝合金件的目的。因此，本技术实施例提供的高硅铝合金件的制备方法，由于采用激光选区熔化工艺制造高硅铝合金件，制备周期短，不存在刀具消耗，成本低，且能获得近乎全致密且力学性能良好的高硅铝合金件。需要说明的是，铜粉的添加量不宜过多，过多则导致晶界出现大量析出相，弱化晶界，反而导致更多的裂纹。
40.具体地，本技术实施例提供的高硅铝合金件的制备方法，制备过程可以为：
41.s1、将粉末粒径为300目至1000目的纯铝粉、纯硅粉、纯铜粉按照所需比例置于三维混料机中，在转速100～200r/min(例如100r/min、150r/min或200r/min)下，搅拌混合15～25min(例如15min、20min或25min)得到混合粉。
42.优选地，高硅铝粉中铜含量为1～6wt％(例如1wt％、2wt％、4wt％或6wt％)，硅含量为50～70wt％(例如50wt％、60wt％或70wt％)，余量铝。以硅含量为60wt％原料粉为例，其通式为al
40-x
si
60
cu
x
(x为1～6)。
43.将获得的混合粉在真空干燥箱内干燥处理，80～150℃(例如80℃、90℃、100℃、120℃或150℃)，保温时间≥1小时制得原料粉。
44.s2、将原料粉加入到选区熔化设备舱室内，关闭舱门。往舱内通入氩气，直至舱内氧含量≤500ppm，并保持仓内氩气以流速15～20m3/h(例如15m3/h、18m3/h或20m3/h)流过粉末上表面。
45.s3、构建高硅铝合金件的三维模型，对模型进行切片，切片厚度为20～40μm(例如20μm、30μm或40μm)，将切片后的模型导入选区熔化设备的控制系统中。
46.s4、将与目标高硅铝合金件的膨胀系数相近的基板置于选区熔化设备成形舱底部，并对成形舱进行预热，预热温度100～300℃(例如100℃、200℃或300℃)。
47.通过选用与目标高硅铝合金件膨胀系数相近的基板作为成型舱底板，可提高构件和基板变形协调性，减少外部拘束应力，以进一步达到抑制激光选区熔化过程中裂纹的萌生和扩展的目的。而在进行激光熔化之前对成型舱预热至100～300℃则可减少冷却过程中的拘束应力，使构件应力水平降低至裂纹产生阈值以下。
48.以目标材料al
40-x
si
60
cu
x
(x为1～6)为例，基板为喷射沉积形成的alsi60块体。
49.s5、设置激光选区熔化工艺参数，工艺参数包括：激光功率100～300w(例如100w、200w或300w)、扫描速率500～1000mm/min(例如500mm/min、800mm/min或1000mm/min)，扫描间距50～150μm(例如50μm、100μm或150μm)，并设置后一层的激光扫描方向与前一层的激光扫描方向夹角为60～75
°
(例如60
°
、65
°
、67
°
、70
°
或75
°
)，进行激光选区熔化扫描。
50.采用低热输入激光熔覆参数，减小激光选区熔化过程熔池尺寸，减小熔池凝固时间，从而可进一步抑制硅相的长大。
51.前一层和后一层的激光扫描方向在上述夹角范围内时可改善高硅铝合金件各向异性的问题。
52.s6、从成型舱中取出打印完成的与基体连接在一起的高硅铝合金件，采用线切割机将高硅铝合金件从基板上切割下来。
53.s7、采用铣床对高硅铝合金件表面进行加工，使其表面达到使用精度要求。
54.本技术实施例提供的高硅铝合金件，其采用本技术实施例提供的制备方法制得。
55.以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
56.由于目前使用最多的高硅铝合金材料为硅含量60wt％的材料，因此，本技术的各个实施例均以硅含量为60wt％的材料为例。
57.实施例1
58.本实施例提供一种制备高硅铝合金壳体的方法：
59.将粉末粒径为300目至1000目的纯铝粉、纯硅粉、纯铜粉按照质量比37:60:3置于三维混料机中，在转速200r/min下，搅拌混合20min得到混合粉。
60.将获得的混合粉在真空干燥箱内干燥处理，80℃，保温时间2小时制得原料粉。
61.将原料粉加入到选区熔化设备舱室内，关闭舱门。往舱内通入氩气，直至舱内氧含量≤500ppm，并保持仓内氩气以流速18m3/h流过粉末上表面。
62.构建高硅铝合金壳体的三维模型，如图2所示，对模型进行切片，切片厚度为30μm，将切片后的模型导入选区熔化设备的控制系统中。
63.将喷射沉积形成alsi60块体加工成基板，置于选区熔化设备成形舱底部，并对成形舱进行预热，预热温度200℃。
64.设置激光选区熔化工艺参数，工艺参数包括：激光功率200w、扫描速率800mm/min，扫描间距100μm，并设置后一层的激光扫描方向与前一层的激光扫描方向夹角为67
°
。进行激光选区熔化扫描。
65.从成型舱中取出打印完成的与基体连接在一起的高硅铝合金壳体，采用线切割机将高硅铝合金壳体从基板上切割下来。
66.采用铣床对高硅铝合金壳体件表面进行加工，使其表面达到使用精度要求。得到的高硅铝合金壳体如图3所示。
67.对比例
68.本对比例与实施例1基本相同，不同之处仅在于：以等量的铝粉替换铜粉。
69.实验例1
70.拍摄对比例1和实施例1制得的高硅铝合金壳体的sem图，分别如图4和图5所示。
71.对对比例1和实施例1制得的高硅铝合金壳体进行eds分析，eds分层图像分别如图6和图7所示。
72.从图4～7可看出，对比例1原料粉中不含有铜时，制得的壳体表面存在微裂纹，而实施例1没有微裂纹。说明在高硅铝材料中掺杂适量的铜可改善微裂纹的形成。
73.拍摄实施例1制得的高硅铝合金壳体的透射电镜图，如图8所示，从图8可看出，铜的存在可阻碍硅的长大。
74.实验例2
75.测试实施例1制得的高硅铝合金壳体的拉伸应变-应力曲线，如图9所示。从图9可看出打印的材料具有优良的拉伸性能，抗拉强度可达到222.1mpa，延伸率达3.3％，与传统喷射成形制备的高硅铝合金性能相当。
76.综上，本技术实施例提供的高硅铝合金件的制备方法，采用采用激光选区熔化工艺制造高硅铝合金件，通过向高硅铝粉中添加合适量的铜粉，通过铜来达到熔池凝固过程中抑制硅相的生长以及促进硅相的球化，从而来抑制激光选区熔化过程中裂纹的萌生和扩展，进而获得力学性能好的高硅铝合金件的目的。因此，本技术实施例提供的高硅铝合金件的制备方法，由于采用激光选区熔化工艺制造高硅铝合金件，制备周期短，不存在刀具消耗，成本低，且能获得近乎全致密且力学性能良好的高硅铝合金件。
77.在本技术优选的技术方案中，采用低热输入激光熔覆参数，减小激光选区熔化过程熔池尺寸，减小熔池凝固时间，从而达到抑制硅相的长大的效果；成型舱进行高温预热使构件应力水平降低至裂纹产生阈值以下，从而抑制裂纹的产生；用与打印材料具有相似热膨胀系数的基板，提高构件和基板变形协调性，减少拘束应力。
78.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种高硅铝合金件的制备方法，其特征在于，包括：将铜含量为1～6wt％的高硅铝粉作为原料粉，采用激光选区熔化工艺制造高硅铝合金件。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，选区熔化设备的成型舱底部设置有基板，所述基板与目标高硅铝合金件的膨胀系数相同。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述高硅铝粉中硅含量为50～70％，余量为铝和铜；优选地，所述基板的成分为硅铝合金，其中硅含量与所述高硅铝粉含量相同。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在进行激光选区熔化制造高硅铝合金件之前，将成型舱预热至100～300℃。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，激光选区熔化工艺制造高硅铝合金件的过程中，构建高硅铝合金件的三维模型，对模型进行切片，切片厚度为20～40μm，将切片后的模型导入激光选区熔化设备的控制系统中，进行激光选区熔化。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，进行激光选区熔化工艺制造时，激光功率为100～300w、扫描速率为500～1000mm/min，扫描间距为50～150μm，后一层的激光扫描方向与前一层的激光扫描方向夹角为60～75
°
。7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在进行激光选区熔化制造高硅铝合金件之前包括：将所述原料粉置于选区熔化设备舱室内，以氩气作为保护气，使所述设备舱内的氧含量≤500ppm。8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高硅铝粉的颗粒粒径为300目至1000目。9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在进行激光选区熔化制造高硅铝合金件之前包括：将纯铜粉、硅粉和铝粉置于三维混料机中在转速100～200r/min下混合搅拌15～25min得到混合粉；然后将所述混合粉置于温度80～150℃的环境下干燥至少1h。10.一种高硅铝合金件，其特征在于，采用如权利要求1～9任一项所述的制备方法制得。

技术总结
本发明涉及合金材料的制备技术领域。公开了高硅铝合金件及其制备方法。高硅铝合金件的制备方法，包括：将铜含量为1～6wt％的高硅铝粉作为原料粉，采用激光选区熔化工艺制造高硅铝合金件。高硅铝合金件，采用上述制备方法制得。本申请提供的方法通过铜来达到熔池凝固过程中抑制硅相的生长以及促进硅相的球化，从而来抑制激光选区熔化过程中裂纹的萌生和扩展，进而获得力学性能好的高硅铝合金件的目的。该方法制备周期短，不存在刀具消耗，成本低。成本低。成本低。


技术研发人员：张振林 陈辉 刘艳 李果 胡登文 吴影 李海舟
受保护的技术使用者：西南交通大学
技术研发日：2023.06.27
技术公布日：2023/9/20