董屹盛，呂洪玉

(天津科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300457)

高硅鋁合金自20世紀(jì)被研發(fā)至今發(fā)展非常迅速，由于其具有質(zhì)量輕、耐磨性好、硬度高、熱膨脹系數(shù)低、導(dǎo)熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)用于電子封裝、汽車和航空航天等領(lǐng)域[1-2]。高硅鋁合金中含有大量初晶Si，隨著Si含量增加，初晶Si顆粒變得粗大，與針狀的共晶Si共同降低基體的性能。因此如何采用先進(jìn)的制備方法制備出綜合性能優(yōu)異且經(jīng)濟(jì)性好的高硅鋁合金，已成為材料工作者的研究重點(diǎn)。

1 高硅鋁合金簡介

高硅鋁合金屬于過共晶Al-Si合金，Si含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)一般在17%～70%，通常被認(rèn)為是金屬基復(fù)合材料，其組織是由Si相作為硬質(zhì)相均勻地分布在較軟的α-Al基體中。按照成分高硅鋁合金分為兩類：一類是Al-Si二元合金，另一類則是以鋁、硅為主要元素，添加一些合金元素而形成多元高硅鋁合金。高硅鋁合金的成分不同，其特性也有一定差異，進(jìn)而有不同的用途。

1.1 二元高硅鋁合金

對于Si含量為17%～30%的二元高硅鋁合金，與普通的鑄造鋁硅合金(Si含量在13%以下)相比，力學(xué)性能顯著提高，耐磨性能和導(dǎo)熱性能更好，熱膨脹系數(shù)更低，因此適用于汽缸和活塞等需在高溫下長時(shí)間服役的零件。但是過高的Si含量容易導(dǎo)致合金中Si相過多且粗大，降低力學(xué)性能和切削性能，因此必須采取一定的措施加以改善。常用的方法有變質(zhì)處理、半固態(tài)攪拌、快速凝固、噴射成形等[3]。江峻等[4]通過熔鑄法制備的Al-20Si初晶Si平均尺寸為7.1 μm，抗拉強(qiáng)度達(dá)到210 N/mm2，伸長率達(dá)3.89%。黨博等[5]采用高純Si (99.99%) 和Al-24.2Si中間合金熔煉得到Al-25%Si合金，通過控制熔體溫度細(xì)化了初晶Si。

Si含量為30%～70%的Al-Si二元合金，一般用于電子封裝領(lǐng)域[6]。作為電子封裝材料，Al-Si合金具有下列優(yōu)點(diǎn)：熱膨脹系數(shù)低，與Si或GaAs芯片材料匹配良好；密度小，有利于電子產(chǎn)品的輕量化發(fā)展；高的熱導(dǎo)率，可以將電子器件生成的熱量快速散出；良好的封裝工藝性能和可加工性，可以鍍上一些常見的電鍍金屬，利用普通刀具可獲得較高的加工精度，易于加工成不同形狀；相比于其他電子封裝材料，Al-Si合金對環(huán)境友好，容易回收再利用[7]。國內(nèi)對此類合金的研發(fā)起步比較晚，主要是一些大學(xué)或研究機(jī)構(gòu)在做。黃志剛等[8]通過快速凝固粉末冶金法制備了電子封裝用Al-50%Si高硅鋁合金。黃海濱[9]等采用純鋁包套熱壓成型后真空燒結(jié)方法，制備了Al-60%Si電子封裝材料，材料致密度達(dá)到98.8%，熱導(dǎo)率達(dá)115 W/(m·K)。

1.2 多元高硅鋁合金

多元高硅鋁合金一般指Si含量為17%～30%并添加一些合金元素的高硅鋁合金，其主要用途是作為高強(qiáng)度與耐磨損材料。事實(shí)上，二元高硅鋁合金的強(qiáng)度與耐磨性特別是高溫下的強(qiáng)度與耐磨性仍不太令人滿意，僅用作高速摩托車和賽車的活塞[10]。隨著對高硅鋁合金研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)在二元高硅鋁合金中添加一些合金元素可以進(jìn)一步提升性能，因此研究者們將重點(diǎn)集中在了多元高硅鋁合金上[11]。目前，國內(nèi)外的科技人員在研究各種合金元素對高硅鋁合金性能的影響，主要是加入Cu、Mg、Fe、Ni、Mn等合金元素，從而形成強(qiáng)化相。

在高硅鋁合金中加入Mg元素，對組織和性能影響最大。Mg元素可與合金中的Si生成強(qiáng)化相Mg2Si，合金經(jīng)淬火與人工時(shí)效后，力學(xué)性能得以顯著提高[12]。

在高硅鋁合金中加入Cu元素，會(huì)與合金中的Al發(fā)生反應(yīng)生成CuAl2強(qiáng)化相，提高合金的高溫強(qiáng)度和耐磨性，但是Cu過多時(shí)會(huì)造成合金的熱膨脹系數(shù)增加，這對于活塞材料極為不利。因此，在高硅鋁合金中加入Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.5%～6%之間。

對于某些需要在高溫條件下服役的零部件，例如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的缸套與活塞，需要在150 ℃～300 ℃下工作，因此提升高硅鋁合金高溫下的性能就顯得十分重要。一些學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，在高硅鋁合金中加入適量的Fe元素時(shí)，F(xiàn)e可與合金中的元素反應(yīng)形成β-Al5FeSi相和δ-Al4FeSi2相，這些相在300 ℃時(shí)仍比較穩(wěn)定，從而顯著提高Al-Si合金在高溫下的強(qiáng)度以及抗蠕變性能。此外Fe的加入也可以阻止Al-Si合金基體組織的粗化[13]。Ni的作用與Fe的近似，向Al-Si合金中加入Ni后，會(huì)形成含Ni的金屬間化合物，其具有較高的熱穩(wěn)定性，因而提高合金的高溫性能。向合金中添加Mn元素，也可以生成一些強(qiáng)化相，起到彌散強(qiáng)化的作用。此外Mn元素還可以改善合金中富鐵相的形態(tài)，使針狀金屬間化合物減少，顆粒狀化合物增多，改善合金的組織[14-15]。因此一般在合金中加入Fe元素的同時(shí)會(huì)添加適量的Mn元素。劉蒙恩[16]等在Al-20Si合金中添加(質(zhì)量分?jǐn)?shù))0.7%Mn、1%Cu，熔煉得到性能良好的Al-20Si-1Cu-0.7Mn合金，抗拉強(qiáng)度達(dá)到238 N/mm2，且Si相細(xì)小，組織均勻。

2 高硅鋁合金的制備方法

2.1 熔煉鑄造工藝

熔煉鑄造是工廠大批量生產(chǎn)各種合金最常用的方法[17]。對于高硅鋁合金，其性能的優(yōu)劣主要取決于硅相的形態(tài)、大小和分布。由Al-Si二元合金相圖可知[18]，硅的大量加入會(huì)導(dǎo)致合金的結(jié)晶溫度范圍變寬，加之普通鑄造方法冷卻速度較慢，易導(dǎo)致合金晶粒粗大，并生成帶尖角的大塊狀初晶硅和粗針狀的共晶硅。圖1所示為傳統(tǒng)鑄造高硅鋁合金的金相組織[19]。從圖1中可以看到，Si相嚴(yán)重割裂了合金基體，這顯著降低了合金的力學(xué)性能，尤其是塑性和韌性。在摩擦磨損時(shí)，粗大的針狀共晶Si相容易破碎與斷裂造成材料損壞，且脫落下來的Si相作為硬磨屑會(huì)進(jìn)一步加劇磨損，使得合金的耐磨性能被顯著削弱。此外，合金中硬度很高的大塊狀初晶Si的存在，使合金難以切削加工，并容易損壞刀具。

圖1 傳統(tǒng)方法鑄造高硅鋁合金的組織[19]Fig.1 Microstructure of high silicon aluminium alloy prepared by the traditional casting method[19]

因此，細(xì)化初晶Si和共晶Si成為當(dāng)前熔煉鑄造制備高硅鋁合金的研究重點(diǎn)。對于初晶Si，常采用Al-P中間合金來變質(zhì)細(xì)化。楊威等[20]采用變質(zhì)劑Al-3P變質(zhì)處理Al-18Si合金，使合金中的初晶Si變得細(xì)小，提高了合金的力學(xué)性能。丁紫陽等[21]采用Al-4P對Al-20Si合金進(jìn)行變質(zhì)處理，合金中的初晶Si明顯變細(xì)小，切削性能顯著提高。對于共晶Si，可以用Ce、Gd、Na、Sr、B等變質(zhì)處理進(jìn)行細(xì)化。鐘鼓等[22]研究了稀土Ce變質(zhì)處理Al-20Si-2Cu-1Ni高硅鋁合金，發(fā)現(xiàn)Ce通過富集在凝固前沿，抑制了共晶Si的生長，從而細(xì)化和改善了共晶Si。

不過采用傳統(tǒng)鑄造法制備過共晶Al-Si合金時(shí)，當(dāng)Si含量超過17%后，添加變質(zhì)劑的作用十分有限，特別是當(dāng)Si含量超過25%時(shí)，在合金中添加各種變質(zhì)劑并不能使合金組織得以顯著細(xì)化。因此，采用傳統(tǒng)鑄造方法制備的高硅鋁合金的性能較差，一般只能用于對性能要求不高的零件。

2.2 快速凝固與粉末冶金工藝

快速凝固(RS)與粉末冶金(PM)技術(shù)是首先利用快速凝固法制備出粒度、成分與組織均勻的粉末，然后用粉末冶金工藝加工，其主要流程為：制備粉末→篩選粉末→預(yù)壓粉末→真空處理→壓坯燒結(jié)→合金熱處理→機(jī)械加工→零部件[23]。利用該工藝技術(shù)制備高硅鋁合金時(shí)，最主要的步驟是粉末制備和壓制成形。粉末制備可以采用超音速氣體霧化法、水霧化法、普通氣體霧化法及離心霧化法等方法。其中超音速氣體霧化法制備的合金粉末尺寸細(xì)小、成分均勻且形狀相對規(guī)則，并且有較高的收集率，因此該方法目前最為常用[24]。制出粉末后還需要壓制成形才可以應(yīng)用于各種零件的生產(chǎn)，最常用的壓制方法是熱擠壓法。在擠壓過程中常采用純鋁作為粉末包套來減少粉末對模具的磨損[25]，并且要選擇合適的擠壓溫度，溫度過高則會(huì)出現(xiàn)過燒，導(dǎo)致材料內(nèi)部晶粒粗大，降低材料的力學(xué)性能；反之，則會(huì)出現(xiàn)欠燒和擠壓困難，影響粉末的結(jié)合程度[26]。

相比熔煉鑄造技術(shù)，快速凝固與粉末冶金技術(shù)使液態(tài)合金具有更快的冷卻速度和更大的過冷度，這可以提高形核率和細(xì)化晶粒，大幅度提高合金的性能。但是快速凝固與粉末冶金方法也有不足之處，即：步驟繁瑣，工藝復(fù)雜，生產(chǎn)周期比較長，生產(chǎn)成本較高，并且在粉末的運(yùn)輸與儲(chǔ)存過程中容易被氧化，使得制備出的高硅鋁合金由于存在原始界面問題而降低了力學(xué)性能[27]。

2.3 噴射成形工藝

噴射成形(spray forming)是自20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種快速凝固技術(shù)[28]，也是目前制備高硅鋁合金的主流方法。其基本原理是：用高速高壓惰性的氣流將熔融的金屬液霧化成細(xì)小分散的熔滴射流，使其以很高的速度撞擊沉積盤表面，逐層沉積凝固成為具有一定尺寸的合金錠。噴射成形高硅鋁合金具有以下優(yōu)點(diǎn)。

1)近終成型。由于可以直接噴射成形圓盤、管坯、圓錠、板坯等接近零件最終的形狀，因此可以減少后續(xù)加工所導(dǎo)致的材料浪費(fèi)，縮短工藝流程。

2)組織細(xì)小、成分均勻。 在噴射成形過程中，細(xì)小的金屬液熔滴沉積到基體上很快冷卻凝固，其內(nèi)部有大量細(xì)小的晶核產(chǎn)生且來不及長大；同時(shí)，溶質(zhì)原子也難以擴(kuò)散和偏聚，加之噴射成形是逐層沉積和凝固的，因此可得到成分均勻、組織細(xì)小的坯錠。

3)含氧量低。整個(gè)噴射成形過程是在惰性或半惰性氣氛中進(jìn)行的，液態(tài)金屬直接被霧化沉積成形，大大減少了被氧化的可能性[29]。不過，噴射成形高硅鋁合金的基體上經(jīng)常有許多尺寸大小不一的細(xì)小孔隙存在(如圖2a所示)，這主要是由于噴射沉積過程中有氣體卷入霧化流、凝固顆粒堆積或凝固收縮造成的，因此必須對合金進(jìn)行致密化處理。致密化處理后孔隙可明顯減少(如圖2b所示)。常見的致密化方法有熱擠壓、半固態(tài)擠壓、鍛壓、熱等靜壓等。實(shí)施中可采用一種或多種方法進(jìn)行處理以達(dá)到提高材料致密度的目的。

圖2 噴射成形高硅鋁合金的金相組織[30]Fig.2 Microstructures of high silicon aluminum alloy by spray forming[30]

①熱擠壓。此法為噴射成形合金提供了較好的三向壓應(yīng)力，因此孔隙可大幅度減少。趙軍峰等[31]采用熱擠壓工藝對Al-22Si沉積坯錠進(jìn)行致密化處理，發(fā)現(xiàn)噴射成型過程生成的孔隙基本實(shí)現(xiàn)閉合，而且初晶硅相沒有明顯的粗化現(xiàn)象。

②半固態(tài)擠壓。這是一種在液、固相線之間的半固態(tài)溫度區(qū)間進(jìn)行成形的方法，它具有一步成形、對模具的損耗小、尺寸公差小的優(yōu)點(diǎn)。彭健等[32]采用半固態(tài)擠壓法對噴射沉積Al-27%Si合金進(jìn)行致密化處理，消除了合金中的孔隙，并且Si相比擠壓前更加均勻細(xì)小。

③鍛壓。在鍛壓過程中，噴射沉積件在持續(xù)的壓力作用下會(huì)發(fā)生一定程度的變形，局部材料相對流動(dòng)，從而導(dǎo)致孔洞的相對面發(fā)生接觸，即孔隙消除。陳剛等[33]對噴射沉積梯度增強(qiáng)高硅鋁合金Al-20Si/SiCp復(fù)合材料進(jìn)行鍛壓，實(shí)現(xiàn)了致密化，并且材料整體的強(qiáng)韌性和表面耐磨性顯著提高。

④熱等靜壓。即是將噴射沉積坯錠放入熱等靜壓設(shè)備中進(jìn)行高溫高壓處理，此工藝能優(yōu)化組織，消除孔隙。蘇愉欽等[30]采用熱等靜壓法對高硅鋁合金噴射沉積坯錠進(jìn)行處理，使合金中的細(xì)小孔隙基本消失。

目前，在眾多的高硅鋁合金的制備方法中，噴射成形是應(yīng)用比較成功的一種，國外已采用該方法制備汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的一些關(guān)鍵零部件。20世紀(jì)90年代，日本的住友輕合金公司已經(jīng)可以生產(chǎn)出最大尺寸達(dá)Φ250 mm×1 400 mm的高硅鋁合金坯錠。馬自達(dá)公司用該方法制備的Al-Si-Fe系高硅鋁合金，用于Miler循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片和轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子的質(zhì)量減輕60%，耐磨性能提高，壽命提高了20%以上[25]。德國的PEAK公司在20世紀(jì)90年代開始工業(yè)化噴射成形高硅鋁合金，其制備的Al-25Si-4Cu-1Mg高硅鋁合金用于發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸套內(nèi)襯，這種新型缸套的應(yīng)用使得發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量大幅度減輕，耗油量減少且輸出功率提高，實(shí)現(xiàn)了缸套與活塞的緊密配合，因而減小了噪音。

噴射成形技術(shù)雖然優(yōu)于其他方法，但是它也有一些缺點(diǎn)，例如工藝復(fù)雜(通常包含金屬熔煉→霧化→噴射→沉積→冷卻和凝固過程)，工藝參數(shù)多，需要后處理，效率低，成本高等。因此高硅鋁合金目前僅應(yīng)用于一些高端汽車、航空航天器等的零部件，其推廣應(yīng)用仍然面臨挑戰(zhàn)。

3 展望

既然高硅鋁合金主要用于一些耐磨損的場合，而且磨損一般只發(fā)生在材料表面，如果能在具有一定強(qiáng)度的鋁合金基體表面制備一層高硅鋁合金涂層，這樣不僅整個(gè)零件的強(qiáng)度能夠滿足要求，而且表面也具有與高硅鋁合金等同的耐磨性，則無論從效率還是經(jīng)濟(jì)上都具有重要意義。

在材料表面制備涂層屬于表面工程的范疇，常見的表面涂層制備技術(shù)有熱噴涂、電鍍與化學(xué)鍍、氣相沉積、堆焊等方法。由于電鍍、化學(xué)鍍與氣相沉積制備的涂層厚度較薄，堆焊制備的涂層晶粒粗大，顯然不適合用來制備高硅鋁合金涂層。熱噴涂技術(shù)的原理與噴射成形有許多相似之處，并且技術(shù)相對成熟，制備的涂層厚度也較厚，雖然國內(nèi)外沒有制備高硅鋁合金涂層的報(bào)道，但是有一些普通鋁硅合金及鋁基涂層的研究。此外，與噴射成形相比，噴涂工藝更簡單，加工效率更高，成本更低。因此采用噴涂的方法來制備高硅鋁合金涂層非常有發(fā)展前景，值得進(jìn)行深入研究。