利用液-固界面效应制备球形金属粉末及其性能研究

发布时间：2020-06-04 20:29

【摘要】：球形金属粉末作为一种特殊的高性能粉末冶金材料具有较好的流动性、较高的配位数,是目前3D打印技术(面向增材制造技术)、电子封装技术以及金属注射成型技术等精密制造技术最具发展潜力的粉末材料。目前,球形金属粉末制备技术较为成熟,主要有两类：(1)金属液滴/气体界面(即：液/气界面)的表面张力作用,制备球形金属粉末,(2)金属液滴/液体界面(即：液/液界面)的表面张力作用,制备球形金属粉末。本文提出第三类球形粉末制造机制,即液态金属/非金属粉末(即：液/固界面),在制备技术原理上实现创新,拓展了传统金属球形粉末制备技术。主要研究如下：为了实现实验条件的多样化调节,我们研究了含有活泼元素的CuZn合金在不同气压下合金元素的挥发和球化规律,并成功制备了高质量的球形CuZn合金粉末。Zn元素非常活跃,在熔点1178 K附近饱和蒸汽压高达0.101 MPa(正常大气压)。通常负压情况下,锌元素将快速挥发,导致合金表面能快速变化,并由此进一步影响合金液滴表面平衡性,致使传统工艺无法实现高质量的CuZn合金球形粉末的制备。在我们设计的“石墨海”固态溶剂路线中,原材料合金颗粒被超细石墨粉三维包裹,结合Cu基合金在石墨表面的去润湿行为,可简便地实现气压的调节,从而在不改变合金球形度和粉末颗粒尺寸分布的情况下实现锌含量的调节。实验结果表明：Cu-38Zn合金作为原材料制备的球形合金粉末,气压越高,锌的挥发越少,而且不影响合金粉末的球形度。甚至在负压0.04 MPa的条件下,依然能制备完美的球形CuZn合金粉末。此外,采用高锌含量的Cu-50Zn合金作为原材料,尽管较高锌含量将会降低合金液滴的表面能,但是0.22 MPa气压下制备的CuZn合金粉末具有完美的球形度和光洁的表面,证实液态金属/非金属粉末(即：液／固界面)界面方法的可控性和稳定性。此项工作克服了传统工艺无法制备CuZn合金球形粉末的困难。我们设计了氢气还原金属氧化物原位去润湿制备超细CuSn合金粉末,实现金属粉末制备技术的拓展。氢气还原金属氧化物这一传统工艺虽然实现了金属粉末的制备,但是面临诸多问题,特别是还原过程中的液相烧结、还原不充分、颗粒团聚等,而且不能够制备球形的合金粉末。我们采取石墨粉作为固态溶剂,分散预先均匀混合的CuO-SnO2氧化物,在氢气还原的过程中,混合氧化物被石墨粉分散成小单元,实现了氢气的充分还原,避免了还原过程的合金液滴的液相烧结和吞并长大。实验结果证实我们成功地通过直接还原金属氧化物结合原位去润湿效应制备了CuSn合金球形粉末。Cu-10wt.%合金粉末的SEM显示了不同温度条件下的球形颗粒球形度和表面光洁度。当热处理温度在1273 K时,合金颗粒的球形度最高,表面光洁。球形颗粒横截面的SEM显示制备的球形颗粒完全致密,无块状夹杂物。元素EDS面分布显示Cu和Sn分布均匀。XRD结果证实制备的球形合金粉末还原充分,没有氧化物和纯金属出现,形成单一合金相。颗粒尺寸分布显示制备CuSn合金颗粒尺寸在10-30 gm之间。研究了石墨材料反应体系以及氧化铝非反应体系的去润湿行为。我们设计出Fe基合金粉末分散在石墨和氧化铝介质中的球化实验。Fe基合金与碳发生反应生成碳化物,而且高温下Fe基合金具有较大的渗碳能力,原则上Fe合金液滴将会在石墨介质表面铺展。我们在制备过程中,采用了快速熔化和快速冷却的方式,快速熔化主要缩短了Fe基合金与石墨发生反应和渗碳的时间,快速冷却主要研究凝固过程中组织结构以及对生成反应物、颗粒形貌的影响。经过形貌、结构和磁性能表征结果表明：熔融状态下Fe基合金与石墨发生反应,但表面生成稳定的碳化物抑制了合金液滴在石墨介质表面铺展,实现了去润湿球化,制备的合金球形粉末颗粒内部致密无块状夹杂物。通过控制冷却温度和方式,制备的合金球形粉末颗粒表面差异性较大,相比原材粉末,水淬冷却的样品非晶度具有较大的改善,进一步磁性能表征显示水淬样品具有良好的软磁性能,饱和磁化强度145 emu/g,矫顽力2.8 Oe。此工作首次实验证实液态金属／非金属粉末(即：液／固界面)即使在反应体系依然能实现合金粉末的球化制备。
【图文】：

合金支架,金属粉末注射成型,手术刀,固定器

属粉末冶金领域中发展最迅速的新工艺，相对于铸造、锻化、机械加工、焊接等逡逑粉末冶金，ＭＩＭ被称为＂第五代＂金属成形方法Ｗ１。近几十年来，ＭＩＭ技术发展逡逑迅猛，能适用广泛的材料体系，如图１．１：不镑钢、工具钢、硬质合金、铁合金、金逡逑属间化合物等ＩＩ’邋Ｗ。逡逑W画逡逑恟面逡逑图１．１金属粉末注射成型实物图ｗ：邋（ａ）牙齿矫正器，似手术刀，似固定器３１化，逡逑州屯、脏Ｔｉ合金支架，似支架Ｔｉ－６Ａ１－４Ｖ，（ｆ）Ｔｉ牙齿种植逡逑ＭＩＭ对原料粉末要求较高，包括粉末的形貌、粒径、粒度分布、比表面积、逡逑流动性、松装密度等，Ｗ保证均匀的分散度、良好的流动性能和较大的烧结速率。逡逑图１．２是粉末注射成型试验中金属粉末填充模具的过程，试验表明通常选用球形逡逑金属粉末可提高装载密度。从理论上讲，ＭＩＭ用粉末颗粒越是细小，比表面积越大，逡逑有利于粉末活性的提高及烧结过程中大收缩的实现和高致密度的获得。而传统粉逡逑２逡逑

示意图,注射成型,粉末,试验装置

球栅阵列巧ＧＡ）形式封装是１９８０年由富壬通公司提出的，在日本旭Ｍ公司逡逑与ＣＩＴＩＺＥＮ公司合作的０ＭＰＡＣ芯片中诞生Ｗ３。目前主要应用在ＣＰＵ邋Ｗ及逡逑ＤＳＰ等多管脚、高性能芯片的封装中，图１．３是电子封装电路的示意图？。ＢＧＡ逡逑封装是现代微电子中应用十分广泛的技术，特别是满足工业集成电路轻薄短小、逡逑多功能、高速度等特点的需要，在大规模集成电路的集成化王艺中具有至关重要逡逑的作用２２１。逡逑Ｓａｂｓｔｒａ化邋ｏｆ邋ＢＣＡＣｈｉｐ逡逑Ｎｉ（ＰｙＡＢ逡逑ＳｎＰｂ逡逑Ａｕ逡逑…逦，（Ｚ）逦（ａ、Ｃ３）逦，，邋（４）逡逑ＩＨ－邋ｉ邋Ｋ逡逑Ｉ逦（ｂ）逦Ｉ逡逑图１．３球栅电子封装示意图ｗ逡逑这种技术的特点在于用钉焊球替代外引框导线，在基板的背面按阵列方式制逡逑３逡逑
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TF123.2

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