铝合金烧结难点

铝合金由于体积质量小、比强度高，因而广泛应用于现代工业，特别是航空工业和汽车工业。铝合金的传统加工方式主要是铸造和锻造，但近年来，粉末冶金法制备铝制品的方法开始出现。据预测汽车中的齿轮、带轮及连杆零部件，用粉末冶金法制备的质量，在世界范围内将由1998年的1100t增加到2008年的2300t.近年来，俄罗斯的科学家将Al-Si共晶合金作为基体材料制备燃料棒，应用于轻水反应堆中。利用铝合金导热系数高的特点，将堆内热量传出，达到“冷堆”的目的，以提高反应堆寿命和安全性。此项技术已应用于KLS-40S浮动式核电厂的轻水反应堆中。粉末冶金法制备铝合金制品，可改善合金内部成分的均匀性，获得高强度、高硬度的制品，但韧性和抗冲击性能低、耐蚀耐磨性差的缺点限制了粉末冶金铝制品的广泛应用。因此，如何提高铝制品的相对密度，减小制品的空隙率，获得力学性能和物理性能良好的制品。引起了世界各国科学家的广泛兴趣。通过大量的实验研究，已取得了良好的效果。

1.0.固相烧结致密化的障碍：

铝在空气中很容易被氧化形成Al203薄膜，覆盖在金属的表面,氧化膜的厚度取决于温度及合金的储存气氛，特别是湿度。室温下块状铝合金表面氧化膜为10～20埃，而雾化法制备出的粉末，氧化膜厚达50～150埃，且为非晶态或水合物，在350℃下转变成Y-Al2O3。研究发现，600℃下，方程式(1)发生逆反应的条件是烧结气氛中，氧气分压低于10。大气压，或者烧结气氛露点低于-140℃。这一条件在物理上很难达到。这充分说明Al2O3薄膜非常稳定，难以分解出纯金属铝。常规条件下烧结时，铝金属原子不能扩散穿过这层连续且致密的氧化膜，不能实现物质的扩散迁移，粉末颗粒之间不能互相融合长大，进而使制品消除孔隙以达到致密化。

2.0.致密化的措施：

2.1.破坏表面的氧化膜：

2.1.1.固相反应烧结：

添加镁金属。镁的活性远大于铝，其氧化物形成的自由能比Al2O3要小得多，因此，镁添加剂应用于铝合金的粉末烧结中，可以将Al2O3还原成纯金属铝。反应方程式为：Mg+A1203=MgAl204+Al(2)由此生成尖晶石结构的镁铝氧化物。镁在铝基体中扩散，使体积发生改变，在氧化膜上产生剪切力，最终破坏氧化膜，利于原子的扩散和烧结的顺利进行，提高铝合金的密度。研究发现铝合金中镁的添加量要达到0.15％才能引起烧结体积的收缩。添加0.15％的镁，铝合金粉末颗粒表面的氧化膜被破坏，颗粒间互相粘结并致密，进而提高制品的强度和塑性，添加量大于0.15％时，多余的镁溶解在铝中，会引起柯肯达尔现象，还会起到固溶强化的作用。

2.1.2.还原气氛烧结：

在还原性气氛下烧结时，颗粒周围的还原性气体与Al2O3反应，置换出金属铝。常用的还原气体氢气是非常活泼的化学元素。与金属氧化物能发生置换反应。同样，氢气也能与氧化物Al2O3发生反应，即：Al2O3+3H2 =2Al+3H2O(3)烧结过程中，Al2O3薄膜通过不断反应而逐渐减薄，发生破坏，从而使颗粒间的铝原子扩散得以进行，块状材料致密化。

2.2.液相烧结：

铝合金的粉末压坯仅通过固相烧结难以获得很高的密度，如果在烧结温度下，低熔组元熔化或形成低熔共晶物，由液相引起的物质迁移比固相快，最终液相将填满烧结体内的空隙，由此可以获得密度高、性能好的烧结品。液相烧结铝合金制

品的添加相必须具备以下条件：(1)低于铝合金熔点；(2)与铝不互溶；(3)产生的液相须对铝合金颗粒表面有良好的润湿性。常用的添加相有Cu、Sn、Zn、Mg 等金属，或者这些金属元素复合添加。

2.2.1.添加Cu金属：

铜是铝合金中添加的最基本、最常见的金属元素。在548.2℃时铜在铝中的溶解度仅为5.65％，但铜的熔点几乎是铝的二倍。烧结过程中铜是通过与铝形成低熔点的Al2Cu的过渡相来实现液相烧结。其过程如下：加热时Al、Cu间相互扩散形成Al2Cu金属间化合物；548℃时在Al2Cu界面出现它们共晶物的液相；铜从液相中析出，形成不溶的金属间化合物；同时近邻的铜颗粒不断熔于液体中进行补充；当所有的铜熔解后。金属间化合物消失，液体吸入铝颗粒中。铜在铝中的扩散系数几乎是铝在铜中的5000倍，在加快均匀化速度的同时，也会因为柯肯达尔效应而发生膨胀。因此，Al-Cu系合金烧结工艺参数非常关键，特别是铜粒子尺寸及加热速度。

2.2.2.添加Sn金属：

锡是最具备条件的添加元素，其熔点为232℃，低于Al，在Al中溶解度最大仅为0.15％，且其液体能够与Al发生充分润湿。添加Sn金属，烧结时熔化的Sn 液体充填颗粒，使制品致密。但由于Sn本身的强度较低，Al-Sn合金的力学性能不高。如果在Al合金中复合添加Mg和Sn，Mg将会在烧结时激活整个体系，使制品致密化作用更加明显。研究表明，Al-Sn-Mg体系中，Sn含量为8％时，烧结密度可达到理论值的99％。

2.3.搀入润滑剂：

粉末冶金坯料的金属粉末中加人润滑剂，有助于坯料压制，减轻颗粒间流动阻力

以及模具同粉料间的摩擦力。据报道，在铝合金的烧结过程中，加人润滑剂能够改善合金的烧结性能，提高烧结坯的机械性能。搀人的润滑剂必须具有分解温度低、无分解残留物的特点，常用高分子材料，如PE、EBS等。但添加润滑剂后，仅提高了生坯密度和强度，对烧结坯的致密化未产生显著效果。因此，加人润滑剂改善铝合金烧结性能的机理还不是很清楚，有待于进一步深人研究。

2.4.粉末锻造：

粉末锻造是将粉末冶金和精密模锻结合在一起，充分发挥二者优点的新工艺，出现的历史并不长，应用于铝合金载荷件的加工大约十几年。通常的工艺步骤包括粉末预成形压坯、烧结、锻造(冷锻或热锻)和锻后预处理。粉末颗粒在锻造压力作用下发生塑性变形，使孔隙缩小以至消失，从而使材料致密，提高锻件的密度。作者用粉末锻造的方法制备了Al-Si共晶合金粉末制品。研究中发现，烧结温度的控制是制备工艺过程的关键。烧结时粉坯或烧结温度过低，颗粒间未发生烧结黏结，锻造时塑性非常差，不能承受较大的变形，制件的密度较低；烧结温度过高，压坯会局部熔化而析出金属铝，破坏制件的外形并导致其成分不均匀。通过优化工艺后，制备出的自由镦粗锻件相对密度达93％～96％，模具锻造件相对密度达96％～98％。通过颗粒的塑性成形使材料致密化，工艺除锻造外，挤压也是常用的方法之一。

3.0.结语：

铝合金粉末冶金制品的密度直接决定其性能，而颗粒表面致密化稳定的氧化膜导致铝合金粉末不能通过常规的固相烧结而致密。对铝合金粉末冶金致密化方法的开发和研究，许多研究人员做了大量的工作，提出了不少的新工艺、新方法。但是，在特定用途、特定成分的条件下，如何将这些新工艺、新方法加以应用，采