邱婷婷等：粉末冶金铝合金烧结致密化过程 ·1081· 关：一方面，由于压制后的生坯相对密度高，孔洞残 Cu-Mg powder metallurgy alloy.Mater Sci Eng A,2013,559 留N2少，因此AN不能大量生成.另一方面，铝合 (1):902 金液相润湿和填充孔洞的速率远高于AN的生长 [4]Lall C,Heath W.P/M aluminum structural parts-Manufacturing and metallurgical fundamentals.Int J Pouder Metall,2000,36 速率，因此AN未能生长.A一Cu液相在A表面的 (6):45 润湿属于非反应性润湿体系，对于大尺寸孔洞，润湿 [5]Gutin S S,Panov AA,Khlopin M I.Effect of oxide films in the 体系的驱动力为表面张力，润湿液滴基圆半径·和 sintering of aluminum powders.Sou Powder Metall Met Ceram, 扩散时间t遵循函数P~t,n的取值范围为5~10，毫 1972,11(4):280 米级的液滴达到润湿平衡所需时间仅为101s四 6] Chiavazza V,Pijolat M,Lalauze R.Evolution of alloying elements during outgassing in an aluminium zinc magnesium alloy made by 对于颗粒边界之间较细小的缝隙，润湿体系的驱动 powder metallurgy.J Mater Sci,1988,23(8):2960 力为毛细管力，润湿距离x与时间1大致遵循函数 [7]Lumley R N,Sercombe T B,Schaffer G M.Surface oxide and the x2~,与前者相比，在毛细管力作用下液相可更快 role of magnesium during the sintering of aluminum.Metall Mater 润湿基体0.因此，在毛细管力和表面张力的作用 Trans A,1999,30(2):457 8) Kondoh K,Kimura A,Watanabe R.Effect of Mg on sintering 下，ACu液相能迅速润湿A1颗粒表面.而研究表 phenomenon of aluminium alloy powder particle.Pouder Metall, 明，A1-2%Mg-一1%Sn混合粉末在540℃，N2气氛烧 2001,44(2):161 结18h后，氮化层厚度仅为5mB,其氮化速率远 9] MacAskill I A,Hexemer Jr R L,Donaldson I W,et al.Effects of 低于体系润湿速率。因此在氮化层未形成时，液相 magnesium,tin and nitrogen on the sintering response of aluminum powder.J Mater Process Technol,2010,210(15):2252 己润湿A颗粒表面.一旦液相覆盖到整个颗粒表 [10]Schaffer G B,Sercombe T B,Lumley R N.Liquid phase sinte- 面，氮化过程很难继续进行.此外，本实验S元 ring of aluminium alloys.Mater Chem Phys,2001,67(13):85 素的添加也将进一步抑制AN的生成速率m.因 [11]Yan M,Yu P,Schaffer G B,et al.Secondary phases and inter- 此在本体系中未发现AN的存在. faces in a nitrogen-atmosphere sintered Al alloy:transmission e- lectron microscopy evidence for the formation of AlN during liquid 3结论 phase sintering.Acta Mater,2010,58(17)5667 02] Sercombe T B,Schaffer G B.On the role of magnesium and ni- (1)Al一MgSi-Cu系铝合金的烧结过程主要经 trogen in the infiltration of aluminium by aluminium for rapid pro- 历3个阶段：在烧结初始阶段，坯体内会首先形成 totyping applications.Acta Mater,2004,52(10):3019 Al-Mg合金液相，Mg原子分别扩散至铝粉或Al-Si [13]Dunnett K S,Mueller R M,Bishop D P.Development of Al-Ni- 粉末中，破除氧化膜，形成A-Mg0等化合物：在快 Mg-(Cu)aluminum P/M alloys.J Mater Process Technol, 2008,198(13):31 速致密化阶段，A-C山共晶液相在毛细管力作用下 [14]Schaffer G B,Huo S H,Drennan J,et al.The effect of trace el- 填充颗粒间缝隙或孔洞，坯体相对密度迅速增加；在 ements on the sintering of an Al-Zn-Mg-Cu alloy.Acta Mater, 近全致密化阶段，随体系润湿性的提高以及晶粒的 2001,49(14):2671 长大，液相持续填充大尺寸孔洞，使得坯体实现近全 015]Schaffer G B,Yao J Y,Bonner S J,et al.The effect of tin and 致密. nitrogen on liquid phase sintering of Al-Cu-Mg-Si alloys.Acta Maer,2008,56(11):2615 (2)在烧结过程中，铝合金液相润湿和填充孔 6] Schaffer C B,Hall B J.The influence of the atmosphere on the 洞的主要驱动力为表面张力和毛细管力，其润湿速 sintering of aluminum.Metall Mater Trans A,2002,33 (10): 率远高于AN的生长速率，因此本实验中未发现 3279 AN的生成. [17]Schaffer G B,Hall J B,Bonner S J,et al.The effect of the at- (3)在Al颗粒边界处，除MgA山0，氧化物外，还 mosphere and the role of pore filling on the sintering of alumin- 存在着MgAlCuO复杂氧化物，因此氧化膜的破除机 ium.Acta Mater,2006,54(1):131 [18]Yurchenko A G,Shcherban N I,Pugina L I.Elastic aftereffect 制可能与合金成分相关，可生成多种界面产物. of iron-graphite compacts in cold pressing.Sou Pouder Metall Met Ceram,1970,9(5):367 参考文献 [19]Crossin E,Yao J Y,Schaffer G B.Swelling during liquid phase [Qian M,Schaffer G B.Sintering of aluminium and its alloys.Sin- sintering of Al-Mg-Si-Cu alloys.Powder Metall,2007,50(4): ter Ady Mater,2010,60(3547):291 354 2]Daver E M,Trombino C J.State of the North American PM indus- [20]Scholz H,Greil P.Nitridation reactions of molten Al-(Mg,Si) try-2006.Int J Powder Metall,2006,42(4)35 alloys.J Mater Sci,1991,26(3):669 B]Boland C D.Hexemer R L.Industrial processing of a novel Al- [21]Hall B J,Schaffer G B,Ning Z,et al.Al/AIN layered compos-邱婷婷等: 粉末冶金铝合金烧结致密化过程 关: 一方面，由于压制后的生坯相对密度高，孔洞残 留 N2少，因此 AlN 不能大量生成． 另一方面，铝合 金液相润湿和填充孔洞的速率远高于 AlN 的生长 速率，因此 AlN 未能生长． Al--Cu 液相在 Al 表面的 润湿属于非反应性润湿体系，对于大尺寸孔洞，润湿 体系的驱动力为表面张力，润湿液滴基圆半径 r 和 扩散时间 t 遵循函数 r n ～ t，n 的取值范围为 5 ～ 10，毫 米级的液滴达到润湿平衡所需时间仅为 10 － 1 s ［27--29］． 对于颗粒边界之间较细小的缝隙，润湿体系的驱动 力为毛细管力，润湿距离 x 与时间 t 大致遵循函数 x 2 ～ t，与前者相比，在毛细管力作用下液相可更快 润湿基体［30］． 因此，在毛细管力和表面张力的作用 下，Al--Cu 液相能迅速润湿 Al 颗粒表面． 而研究表 明，Al--2% Mg--1% Sn 混合粉末在 540 ℃，N2气氛烧 结 18 h 后，氮化层厚度仅为 5 μm［31］，其氮化速率远 低于体系润湿速率． 因此在氮化层未形成时，液相 已润湿 Al 颗粒表面． 一旦液相覆盖到整个颗粒表 面，氮化过程很难继续进行［9］． 此外，本实验 Sn 元 素的添加也将进一步抑制 AlN 的生成速率［27］． 因 此在本体系中未发现 AlN 的存在． 3 结论 ( 1) Al--Mg--Si--Cu 系铝合金的烧结过程主要经 历 3 个阶段: 在烧结初始阶段，坯体内会首先形成 Al--Mg 合金液相，Mg 原子分别扩散至铝粉或 Al--Si 粉末中，破除氧化膜，形成 Al--Mg--O 等化合物; 在快 速致密化阶段，Al--Cu 共晶液相在毛细管力作用下 填充颗粒间缝隙或孔洞，坯体相对密度迅速增加; 在 近全致密化阶段，随体系润湿性的提高以及晶粒的 长大，液相持续填充大尺寸孔洞，使得坯体实现近全 致密． ( 2) 在烧结过程中，铝合金液相润湿和填充孔 洞的主要驱动力为表面张力和毛细管力，其润湿速 率远高于 AlN 的生长速率，因此本实验中未发现 AlN 的生成． ( 3) 在 Al 颗粒边界处，除 MgAl2O4氧化物外，还 存在着 MgAlCuO 复杂氧化物，因此氧化膜的破除机 制可能与合金成分相关，可生成多种界面产物． 参 考 文 献 ［1］ Qian M，Schaffer G B． Sintering of aluminium and its alloys． Sin￾ter Adv Mater，2010，60( 3547) : 291 ［2］ Daver E M，Trombino C J． State of the North American PM indus￾try--2006． Int J Powder Metall，2006，42( 4) : 35 ［3］ Boland C D，Hexemer Ｒ L． Industrial processing of a novel Al-- Cu--Mg powder metallurgy alloy． Mater Sci Eng A，2013，559 ( 1) : 902 ［4］ Lall C，Heath W． P /M aluminum structural parts-Manufacturing and metallurgical fundamentals． Int J Powder Metall，2000，36 ( 6) : 45 ［5］ Gutin S S，Panov A A，Khlopin M I． Effect of oxide films in the sintering of aluminum powders． Sov Powder Metall Met Ceram， 1972，11( 4) : 280 ［6］ Chiavazza V，Pijolat M，Lalauze Ｒ． Evolution of alloying elements during outgassing in an aluminium zinc magnesium alloy made by powder metallurgy． J Mater Sci，1988，23( 8) : 2960 ［7］ Lumley Ｒ N，Sercombe T B，Schaffer G M． Surface oxide and the role of magnesium during the sintering of aluminum． Metall Mater Trans A，1999，30( 2) : 457 ［8］ Kondoh K，Kimura A，Watanabe Ｒ． Effect of Mg on sintering phenomenon of aluminium alloy powder particle． Powder Metall， 2001，44( 2) : 161 ［9］ MacAskill I A，Hexemer Jr Ｒ L，Donaldson I W，et al． Effects of magnesium，tin and nitrogen on the sintering response of aluminum powder． J Mater Process Technol，2010，210( 15) : 2252 ［10］ Schaffer G B，Sercombe T B，Lumley Ｒ N． Liquid phase sinte￾ring of aluminium alloys． Mater Chem Phys，2001，67( 1-3) : 85 ［11］ Yan M，Yu P，Schaffer G B，et al． Secondary phases and inter￾faces in a nitrogen-atmosphere sintered Al alloy: transmission e￾lectron microscopy evidence for the formation of AlN during liquid phase sintering． Acta Mater，2010，58( 17) : 5667 ［12］ Sercombe T B，Schaffer G B． On the role of magnesium and ni￾trogen in the infiltration of aluminium by aluminium for rapid pro￾totyping applications． Acta Mater，2004，52( 10) : 3019 ［13］ Dunnett K S，Mueller Ｒ M，Bishop D P． Development of Al--Ni-- Mg--( Cu ) aluminum P /M alloys． J Mater Process Technol， 2008，198( 1-3) : 31 ［14］ Schaffer G B，Huo S H，Drennan J，et al． The effect of trace el￾ements on the sintering of an Al--Zn--Mg--Cu alloy． Acta Mater， 2001，49( 14) : 2671 ［15］ Schaffer G B，Yao J Y，Bonner S J，et al． The effect of tin and nitrogen on liquid phase sintering of Al--Cu--Mg--Si alloys． Acta Mater，2008，56( 11) : 2615 ［16］ Schaffer G B，Hall B J． The influence of the atmosphere on the sintering of aluminum． Metall Mater Trans A，2002，33 ( 10) : 3279 ［17］ Schaffer G B，Hall J B，Bonner S J，et al． The effect of the at￾mosphere and the role of pore filling on the sintering of alumin￾ium． Acta Mater，2006，54( 1) : 131 ［18］ Yurchenko A G，Shcherban N I，Pugina L I． Elastic aftereffect of iron-graphite compacts in cold pressing． Sov Powder Metall Met Ceram，1970，9( 5) : 367 ［19］ Crossin E，Yao J Y，Schaffer G B． Swelling during liquid phase sintering of Al--Mg--Si--Cu alloys． Powder Metall，2007，50( 4) : 354 ［20］ Scholz H，Greil P． Nitridation reactions of molten Al--( Mg，Si) alloys． J Mater Sci，1991，26( 3) : 669 ［21］ Hall B J，Schaffer G B，Ning Z，et al． Al /AlN layered compos- · 1801 ·