铝合金粉末注射成形的基础问题

In view of the problem that the aluminum-based powder is easily oxidized during the powder injection molding (PIM) process, which makes it difficult to be densified, a new solution to this problem is put forward. Take full advantage of the mechanical activation and chemical reaction, as well as their synergistic effects, to enhance the sintering densification process of the PIM aluminum alloy. The main focus of this project is on the alloy design and the activation mechanism of sintering aids, the formation and disruption of the oxide layer, cold welding between particles during high energy ball milling process and its effect on the sintering process. Based on the principle of polymer blending, a multi-component and multi-functional binder system is designed. This binder system can be removed at relative low temperature, and it can also protect the aluminum powder at the same time. This project is expected to exert positive effect on the establishment of theoretical and technological foundation for net-shape forming of aluminum alloy components through powder injection molding technology.

针对铝基粉末在注射成形工艺过程中易氧化并造成烧结致密化难的问题，提出了充分利用机械活化和化学反应及其协同作用，强化铝合金粉末成形坯烧结致密化过程的新思路。重点研究强化烧结助剂的作用机制和成分设计，混合粉末在高能球磨过程中表面氧化膜的形成、破碎以及颗粒间冷焊规律及其对烧结过程的影响。基于聚合物共混原理，设计多组元多功能粘结剂，该粘结剂不仅可以在较低的温度下脱除干净，而且可以对铝粉起到保护作用。该研究将为建立铝合金的粉末注射成形技术奠定理论和技术基础。

本项目针对注射成形铝合金易氧化并造成烧结致密化困难，以及缺乏合适的粘结剂等问题，以Al-Cu-Mg-Si系铝合金为主要研究对象，重点研究了铝合金成分设计准则、粘结剂成分设计及脱除制度、铝合金强化烧结致密化机制、铝合金固溶及热处理机制，以及注射成形铝合金内部缺陷控制及尺寸精度控制机制。成功解决了非致密铝合金坯体烧结致密化的难题，制备出具有高致密度和优异力学性能的注射成形铝合金零部件。本项目培养研究生8名，发表学术论文13篇，申请国家发明专利9项，获国家技术发明二等奖1项，完成了任务书规定的研究任务，达到了预期目标。取得的主要创新成果如下：.根据液相烧结基本原理和相图计算，设计出满足注射成形烧结特性的Al-Cu-Mg-Si-Sn铝合金体系，其成分范围为：Cu为2.5-5.5wt. %，Mg为1.0-2.5wt. %，Si为0.1-1.0wt. %，Sn为0.1-1.0wt. %。基于聚合物共混原理，设计出适用于Al-Cu-Mg-Si注射成形铝合金的粘结剂，主要成分为石蜡、聚丙烯、高密度聚乙烯和硬脂酸，该粘结剂具有较低的挥发温度及低残留的特点，并确立了最佳的注射成形工艺及粘结剂脱除制度。.研究了Al-Cu-Mg-Si系铝合金的强化烧结致密化机制，确立了Al-Cu-Mg-Si系铝合金的固溶及热处理制度。探明了烧结过程中铝粉表面氧化膜的破除机制。在烧结过程中，Mg原子通过扩散与Al粉表面氧化膜反应，从而破除氧化膜，在晶界处形成MgAl2O4。此外，晶界处还存在着Al-Mg-Cu-O、Al-Si-Cu-O和Al2SiO5等化合物，表明氧化膜的破除机制可能与局部合金成分有关。.通过调控注射工艺参数、烧结气氛和烧结制度，可有效避免注射成形铝合金内部出现孔洞和密度分布不均等缺陷，同时确保注射成形制品的尺寸精度。注射成形Al-Cu-Mg-Si系铝合金经过固溶及时效处理后，材料的致密度高于98%，抗拉强度和硬度达到407MPa和218 HV，优于目前已报道的PM铝合金性能。.基于本项目的基础研究成果，提出了开展粉末注射成形铝合金零件在3C产品、5G通讯和工业机器人等领域应用技术研究的建议，相关研究内容已获得“十四五”国家重点研发计划重点专项的立项支持（项目名称：高强轻质金属结构材料精密注射成形技术，编号：2021YFB3701900）。