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喷射沉积高硅铝合金是一种综合性能基本满足先进电子封装要求的材料。然而,国内外研究者普遍发现,制备的喷射沉积Si-30wt.%Al合金中仍存在一些问题,主要包括初晶Si相尺寸大小不一以及半固态成形技术研究中喷射沉积Si-30wt.%Al合金在进行固液两相区加热保温时初晶Si相明显粗化。
本文选用质量分数为2%的TiC和TiB2两种颗粒,通过原位反应喷射沉积技术添加到Si-30wt.%Al合金中形成复合材料。研究内容包括复合材料的沉积态组织、半固态保温组织演变规律、致密化工艺和封装工艺性能。研究表明:
(1)喷射沉积TiC/Si-30Al复合材料中,TiC发生分解生成了Ti-Al-Si复杂的三元金属间化合物。而且,Si的存在降低了TiC的热稳定性,加快了TiC的分解速率。
(2)在喷射沉积Si-30Al合金熔体中原位生成2wt.%的TiB2颗粒,基体组织得到明显细化,初晶Si相平均尺寸约35μm,TiB2颗粒弥散分布于合金基体内部,平均尺寸为1~2μm。TiB2与Si的晶体结构分析显示,它们之间存在一定的晶体学位向关系,表明TiB2可以作为初晶Si的异质形核核心,少量TiB2的存在有利于抑制大尺寸初晶Si相的生成。
(3)在半固态保温过程中,随着保温温度的升高和保温时间的延长,喷射沉积TiB2/Si-30Al复合材料中初晶Si相有所长大,但其长大速率明显小于未加颗粒的喷射沉积Si-30Al合金。表明Si-30Al合金熔体中原位生成2wt.%的TiB2颗粒后,在起到抑制生成大尺寸初晶Si相作用的同时,还有利于降低固液两相区加热保温时初晶Si的粗化速率。
(4)喷射沉积TiB2/Si-30Al复合材料经热等静压(HIP)致密化后,基本消除了孔隙和疏松,复合材料的致密度达到了98.9%。致密化后喷射沉积TiB2/Si-30Al复合材料的密度为2.41g/cm3,热膨胀系数为6.6×10-6·K-1,热导率为84W·m-1·K-1。对比未添加TiB2颗粒的喷射沉积Si-30Al合金,热膨胀系数有所降低,但热导率也降低了。表明TiB2的加入在改善组织,提高热稳定性的同时,一定程度上会降低材料的导热性能。