权利要求
将铝合金粉末或纯铝粉与硅粉按目标成分进行配比，之后混合，得到成分均匀的混合粉体;
将混合粉体采用冷等静压进行压制，获得初始压坯;
将所述初始压坯进行多级烧结，所述多级烧结包括第一级~第三级;
第一级：真空条件下，升温至440℃~460℃并保温;
第二级：维持真空条件，继续升温至500℃~520℃并保温;保温结束后，通入保护气氛，使环境压力为正压;
第三级：在保护气体氛围下，继续升温至690℃~700℃并保温，保温过程中产生液相，液相在毛细管力作用下填充孔隙，正压环境用于抑制元素挥发;保温结束后，随炉冷却，制得铝硅合金。
2.根据权利要求1所述的铝硅合金的粉末冶金制备方法，其特征在于，第一级中，真空度≤5×10-3Pa，升温速率为3℃/min~5℃/min，保温时间为60~100分钟。
3.根据权利要求1所述的铝硅合金的粉末冶金制备方法，其特征在于，第二级中，升温速率为2℃/min~3℃/min，保温时间为20~40分钟。
4.根据权利要求1所述的铝硅合金的粉末冶金制备方法，其特征在于，正压的压力值为0.07MPa~0.09MPa。
5.根据权利要求1所述的铝硅合金的粉末冶金制备方法，其特征在于，第三级中，升温速率为6℃/min~8℃/min，保温时间为40~60分钟。
6.根据权利要求1所述的铝硅合金的粉末冶金制备方法，其特征在于，冷却温度>500℃的阶段，保持保护气体氛围。
7.根据权利要求1所述的铝硅合金的粉末冶金制备方法，其特征在于，冷等静压的压力为200MPa~300MPa，保压时间为3~5分钟。
8.根据权利要求1所述的铝硅合金的粉末冶金制备方法，其特征在于，铝合金粉末为气雾化球形或近球形粉末，粒径为10μm~50μm;所述硅粉的粒径为5μm~30μm，纯度>99.9%;所述纯铝粉的平均粒径为40μm，纯度>99.9%。
9.根据权利要求1所述的铝硅合金的粉末冶金制备方法，其特征在于，铝硅合金为Al-50Si合金，其中Si的质量百分含量为50%。
说明书
技术领域
[0001]本发明属于有色金属粉末冶金技术领域，具体涉及一种铝硅合金的粉末冶金制备方法。
背景技术
[0002]铝硅合金，特别是高硅含量的Al-50Si合金，因其低密度、低热膨胀系数以及与半导体材料良好的匹配性，在电子封装和航空航天热管理领域展现出巨大应用潜力。
[0003]铝硅合金一般采用粉末冶金方法制备，然而，采用传统粉末冶金方法制备高硅铝合金时，面临以下技术瓶颈：铝、硅粉末表面存在的原生氧化膜(如Al2O3)会严重阻碍烧结过程中颗粒间的扩散与结合，降低致密度和热导率。为了破坏氧化膜，通常会在合金中添加合金元素(如Mg)，但是在真空环境下进行高温烧结的过程中，为破除氧化膜而添加的合金元素(如Mg)以及铝本身在真空环境下易挥发，导致成分失控和组织缺陷，进一步降低了制备的铝硅合金的致密度和热导率。
发明内容
[0004]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种铝硅合金的粉末冶金制备方法，该方法能有效破除粉末表面氧化膜，抑制烧结过程中的元素挥发与二次氧化，从而显著提高合金的致密度和热导率，工艺稳定，适合规模化生产应用。
[0005]本发明具体通过以下技术方案实现。
[0006]本发明提供了一种铝硅合金的粉末冶金制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将铝合金粉末或纯铝粉与硅粉按目标成分进行配比，之后置于三维混粉机中混合，得到成分均匀的混合粉体。
[0007]步骤2、将混合粉体装入柔性模具中，采用冷等静压进行压制，获得初始压坯;需要说明的是，冷等静压压制方式，能够保证压制密度均一性，避免：单向压制存在密度梯度，导致烧结过程中不均匀收缩和微观缺陷，导致密度和性能显著下降。
[0008]步骤3、将所述初始压坯进行多级烧结，所述多级烧结包括保温温度依次升高的第一级~第三级;
第一级(低温脱气与真空还原)：真空条件下，升温至第一温度并保温，用于去除初始压坯中吸附的水分和气体，并利用真空及合金中的Mg元素对氧化膜进行初步还原破坏。
[0009]第二级(中温预烧结与气氛切换)：维持真空条件，继续升温至第二温度并保温，进一步对氧化膜进行破坏，使粉末发生初步扩散结合;保温结束后，通入保护气氛(如高纯氮气)，使环境压力为正压。
[0010]第三级(高温液相烧结)：在保护气体氛围下，继续升温至第三温度并保温，保温过程中产生液相，所述液相在毛细管力作用下充分填充孔隙，所述正压环境用于抑制元素(低沸点组元)挥发;保温结束后，随炉冷却，制得铝硅合金。
[0011]优选的，第一级中，真空度≤5×10-3Pa，升温速率为3℃/min~5℃/min，第一温度为440℃~460℃，保温时间为60~100分钟。更优选的，以4℃/min升温至450℃，保温80分钟。
[0012]优选的，第二级中，升温速率为2℃/min~3℃/min，第二温度为500℃~520℃，保温时间为20~40分钟。更优选的，维持真空，以2.5℃/min升温至510℃，保温30分钟。
[0013]优选的，正压的压力值为0.07MPa~0.09MPa。更优选0.08 MPa。
[0014]优选的，第三级中，升温速率为6℃/min~8℃/min，第三温度为690℃~700℃，保温时间为40~60分钟。更优选的，升温速率为7℃/min，烧结温度为695℃，保温50分钟。
[0015]优选的，冷却温度>500℃的阶段，保持保护气体氛围。
[0016]优选的，冷等静压的压力为200MPa~300MPa，保压时间为3~5分钟。
[0017]优选的，铝合金粉末为气雾化球形或近球形粉末，粒径为10μm~50μm;铝合金包括ZL101铝合金，所述硅粉的粒径为5μm~30μm，纯度>99.9%;所述纯铝粉的平均粒径为40μm，纯度>99.9%。
[0018]优选的，铝硅合金为Al-50Si合金，其中Si的质量百分含量为50%。
[0019]采用本发明上述制备方法制备的铝硅合金相对致密度不低于97.5%，室温热导率不低于110W/(m·K)，抗弯强度不低于220MPa。本发明制备的铝硅合金在电子封装器件中的应用。
[0020]与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提出了一种新的铝硅合金的粉末冶金制备方法，将原料粉末混合后，采用冷等静压获得均匀的初始压坯，保证了体系的均匀性，为后续烧结过程提供均匀的组织结构前提条件。之后采用多级烧结工艺进行烧结，在烧结过程中，本发明先在真空下进行脱氧除杂，之后在保护气体氛围下进行液相烧结，在保证致密化的同时，保护气体正压环境也能防止二次氧化，且抑制低沸点组元挥发，上述冷等静压+多级烧结工艺协同作用，高效去除了原料氧化膜，并且也避免了元素的挥发，因此提高了制备的铝硅合金的致密度和热导率。
[0021]本发明方法简单，工艺稳定，适合大规模工业化生产应用。
附图说明
[0022]图1是实施例1制备的Al-50Si合金的电子显微镜微观组织照片。
[0023]图2是对比例1制备的Al-50Si合金的电子显微镜微观组织照片。
具体实施方式
[0024]为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。下述各实施例中所述实验方法和检测方法，如无特殊说明，均为常规方法;所述试剂和材料，如无特殊说明，均可在市场上购买得到。
[0025]本发明提出了一种新的铝硅合金的粉末冶金制备方法，将原料粉末混合后，采用冷等静压获得均匀的初始压坯，保证了体系的均匀性，为后续烧结过程提供均匀的组织结构前提条件。之后采用多级烧结工艺进行烧结，在烧结过程中，本发明先在真空下进行脱氧除杂，之后在保护气体氛围下进行液相烧结，在保证致密化的同时，保护气体正压环境也能防止二次氧化，且抑制低沸点组元挥发，上述冷等静压+多级烧结工艺协同作用，高效去除了原料氧化膜，并且也避免了元素的挥发，因此提高了制备的铝硅合金的致密度和热导率。
[0026]上述一种铝硅合金的粉末冶金制备方法，包括以下步骤：
将铝合金粉末或纯铝粉与硅粉按目标成分进行配比，之后混合，得到成分均匀的混合粉体。
[0027]将混合粉体采用冷等静压进行压制，获得初始压坯。
[0028]将所述初始压坯进行多级烧结，所述多级烧结包括保温温度依次升高的第一级~第三级。
[0029]第一级：真空条件下，升温至第一温度440℃~460℃并保温，用于去除初始压坯中吸附的水分和气体，并对氧化膜进行初步还原破坏。第一级中，真空度≤5×10-3Pa，升温速率为3℃/min~5℃/min，保温时间为60~100分钟。
[0030]第二级：维持真空条件，继续升温至第二温度500℃~520℃并保温，进一步对氧化膜进行破坏，使粉末发生初步扩散结合;保温结束后，通入保护气氛，使环境压力为正压。第二级中，升温速率为2℃/min~3℃/min，保温时间为20~40分钟。正压的压力值为0.07MPa~0.09MPa。
[0031]第三级：在保护气体氛围下，继续升温至第三温度690℃~700℃并保温，保温过程中产生液相，所述液相在毛细管力作用下充分填充孔隙，所述正压环境用于抑制元素挥发;保温结束后，随炉冷却，制得铝硅合金。第三级中，升温速率为6℃/min~8℃/min，保温时间为40~60分钟。
[0032]具体分析：
高致密度：通过冷等静压获得均匀的初始压坯，结合多级烧结工艺(特别是真空脱氧与液相烧结)，能最大限度地消除孔隙，使最终烧结体的相对致密度高达98%以上。
[0033]高热导率：高真空阶段有效破坏了粉末表面的绝缘氧化膜，而保护保护氛围防止了二次氧化，保证了洁净的晶间结合。制备的Al-50Si合金室温热导率可达122W/(m·K)。
[0034]创新性工艺：“先高真空脱氧，再保护气氛抑挥发”的组合策略，成功解决了氧化膜破除与元素挥发控制之间的矛盾，工艺重复性好，创新性突出。
[0035]组织均匀：冷等静压和精确的控温工艺确保了硅相在铝基体中的均匀分布，避免了偏析，提高了材料的各向同性和性能一致性。
[0036]本发明方法简单，工艺稳定，适合大规模工业化生产应用。
[0037]下面通过以下实施例和对比例对本发明的内容进行具体说明。
[0038]实施例1
一种铝硅合金的粉末冶金制备方法，包括以下步骤：
(1)原料选择：平均粒径25μm的气雾化ZL101铝合金粉末，平均粒径15μm的高纯硅粉(>99.9%)。
[0039](2)混粉：按Al-50Si(Si的质量百分含量为50%)的配比称取原料粉末，置于三维混粉机中混合6小时，获得混合粉体。
[0040](3)压型：将混合粉体装入圆柱形橡胶模具，在250MPa压力下冷等静压，保压4分钟，获得初始压坯。
[0041](4)将初始压坯进行多级烧结，多级烧结依次包括第一级~第三级：第一级：抽真空至5×10-3Pa，以4℃/min升温至450℃，保温80分钟。第二级：维持真空，以2.5℃/min升温至510℃，保温30分钟。第三级：通入高纯N2至炉压0.08MPa，以7℃/min升温至695℃，保温50分钟。随炉冷却，500℃以上保持N2流通。
[0042]性能测试：相对致密度是根据阿基米德排水法测试，热导率是根据GB/T 22588-2008测试，抗弯强度是根据GB/T 232-2024测试，测得烧结体相对致密度为98.0%，热导率为122 W/(m·K)，抗弯强度为235MPa。
[0043]实施例2
一种铝硅合金的粉末冶金制备方法，包括以下步骤：
(1)原料选择：平均粒径40μm的纯铝粉，纯度99.9%，平均粒径8μm的高纯硅粉，纯度99.9%。
[0044](2)混粉：按Al-50Si的配比称取粉末，三维混粉8小时，获得混合粉末。
[0045](3)压型：将混合粉末在280MPa压力下冷等静压，保压3分钟，获得初始压坯。
[0046](4)将初始压坯进行多级烧结，多级烧结依次包括第一级~第三级：第一级：抽真空至3×10-3Pa，以3℃/min升温至460℃，保温70分钟。第二级：维持真空，以2℃/min升温至520℃，保温25分钟。第三级：通入高纯N2至炉压0.075 MPa，以8℃/min升温至698℃，保温45分钟。随炉冷却，500℃以上保持N2流通。
[0047]性能测试：测得烧结体相对致密度为97.7%，热导率为118 W/(m·K)，抗弯强度为225MPa。
[0048]实施例3
一种铝硅合金的粉末冶金制备方法，包括以下步骤：
(1)原料选择：平均粒径25μm的气雾化ZL101铝合金粉末，平均粒径15μm的高纯硅粉(>99.9%)。
[0049](2)混粉：按Al-50Si的配比称取原料粉末，置于三维混粉机中混合4小时，获得混合粉体。
[0050](3)压型：将混合粉体装入圆柱形橡胶模具，在200MPa压力下冷等静压，保压5分钟，获得初始压坯。
[0051](4)将初始压坯进行多级烧结，多级烧结依次包括第一级~第三级：第一级：抽真空至1×10-3Pa，以5℃/min升温至440℃，保温100分钟。第二级：维持真空，以3℃/min升温至500℃，保温40分钟。第三级：通入高纯N2至炉压0.09 MPa，以6℃/min升温至690℃，保温60分钟。随炉冷却，500℃以上保持N2流通。
[0052]性能测试：测得烧结体相对致密度为97.5%，热导率为115 W/(m·K)，抗弯强度为221 MPa。
[0053]对比例1
与实施例1相比，采用单向模压代替冷等静压，包括以下步骤：
(1)原料选择：平均粒径25μm的气雾化ZL101铝合金粉末，平均粒径15μm的高纯硅粉(>99.9%)。
[0054](2)混粉：按Al-50Si的配比称取原料粉末，置于三维混粉机中混合6小时，获得混合粉体。
[0055](3)压型：将混合粉体采用钢模进行单向压制，压力为500MPa，保压4分钟，获得初始压坯。
[0056](4)将初始压坯进行多级烧结，多级烧结依次包括：第一级：抽真空至5×10-3Pa，以4℃/min升温至450℃，保温80分钟。第二级：维持真空，以2.5℃/min升温至510℃，保温30分钟。第三级：通入高纯N2至炉压0.08MPa，以7℃/min升温至695℃，保温50分钟。随炉冷却，500℃以上保持N2流通。
[0057]性能测试：测得烧结体相对致密度为94.2%，热导率为98 W/(m·K)，抗弯强度为185MPa。
[0058]分析：单向压制存在密度梯度，导致烧结过程中不均匀收缩和微观缺陷，致密度和性能显著下降。
[0059]对比例2
与实施例1相比，采用常规单级烧结，包括以下步骤：
(1)原料选择：平均粒径25μm的气雾化ZL101铝合金粉末，平均粒径15μm的高纯硅粉(>99.9%)。
[0060](2)混粉：按Al-50Si的配比称取原料粉末，置于三维混粉机中混合6小时，获得混合粉体。
[0061](3)压型：将混合粉体装入圆柱形橡胶模具，在250MPa压力下冷等静压，保压4分钟，获得初始压坯。
[0062](4)烧结：抽真空至5×10-3Pa后，直接以10℃/min升温至695℃，保温50分钟，然后随炉冷却。
[0063]性能测试：测得烧结体相对致密度为95.8%，热导率为105 W/(m·K)，抗弯强度为195 MPa。
[0064]分析：缺少多级升温保温阶段，氧化膜未能充分破坏，气体未完全排除，导致致密度和热导率不佳。
[0065]对比例3
与实施例1相比，全程真空，无氮气保护，包括以下步骤：
(1)原料选择：平均粒径25μm的气雾化ZL101铝合金粉末，平均粒径15μm的高纯硅粉(>99.9%)。
[0066](2)混粉：按Al-50Si的配比称取原料粉末，置于三维混粉机中混合6小时，获得混合粉体。
[0067](3)压型：将混合粉体装入圆柱形橡胶模具，在250MPa压力下冷等静压，保压4分钟，获得初始压坯。
[0068](4)烧结：前两阶段同实施例1，第三阶段不充氮气，维持高真空升温至695℃并保温，具体为：第一级：抽真空至5×10-3Pa，以4℃/min升温至450℃，保温80分钟。第二级：维持真空，以2.5℃/min升温至510℃，保温30分钟。第三级：维持真空，以7℃/min升温至695℃，保温50分钟，随炉冷却。
[0069]性能测试：测得烧结体相对致密度为96.5%，热导率为108 W/(m·K)，抗弯强度为205 MPa。
[0070]分析：在高温液相烧结阶段，高真空导致原料ZL101铝合金中的合金元素(Mg)以及铝本身的挥发，破坏了晶界完整性，且对抑制二次氧化的效果不如微正压氮气氛围。
[0071]对比例4
与实施例1相比，硅含量过低，包括以下步骤：
(1)原料：使用平均粒径25μm的Al-20Si合金粉末和平均粒径15μm的高纯硅粉(>99.9%)，配制名义成分为Al-30Si的合金。
[0072](2)混粉：按Al-30Si(Si的质量百分含量为30%)的配比称取原料粉末，置于三维混粉机中混合6小时，获得混合粉体。
[0073](3)压型：将混合粉体装入圆柱形橡胶模具，在250MPa压力下冷等静压，保压4分钟，获得初始压坯。
[0074](4)将初始压坯进行多级烧结，多级烧结依次包括：第一级：抽真空至5×10-3Pa，以4℃/min升温至450℃，保温80分钟。第二级：维持真空，以2.5℃/min升温至510℃，保温30分钟。第三级：通入高纯N2至炉压0.08MPa，以7℃/min升温至695℃，保温50分钟。随炉冷却，500℃以上保持N2流通。
[0075]性能测试：测得热膨胀系数为14.5×10-6/K，热导率为135 W/(m·K)。
[0076]分析：硅含量降低导致热膨胀系数升高，与芯片材料的匹配性变差，说明本发明针对高硅(50%)成分的优化效果最显著。
[0077]由以上实施例和对比例可知，本发明的冷等静压成型与特定的多级烧结工艺(包含高真空除气/破膜、中温真空预烧结及氮气微正压液相烧结三个阶段)是一个有机整体。三者协同作用，共同实现了高致密度、高热导率与高强度的统一。
[0078]此外，对实施例1和对比例1所制备的合金进行了金相组织观察。图1为实施例1的微观组织图像，图中可清晰显示细小的、均匀分布的灰色硅相颗粒镶嵌在白色的铝基体中，孔隙极少，组织致密均匀，几乎无空隙。图2为对比例1的微观组织照片，可见明显孔隙和组织不均匀现象。这证明了本发明方法在获得优异微观结构方面的显著效果。这也解释了实施例1制备的合金的性能优于对比例1制备合金性能的原因。
[0079]显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内也意图包含这些改动和变型在内。
说明书附图(2)
