СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЯ ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
METHOD OF PRODUCING ARTICLES FROM COMPOSITE MATERIALS

Изобретение относится к получению изделий из композиционных материалов, а именно к способам получения изделий из металлических композиционных материалов, упрочненных частицами карбида кремния.
Материалы на основе металлической матрицы, такой как медная или алюминиевая, с высоким содержанием (не менее 45%) карбида кремния используют в электронной промышленности для изготовления корпусов и подложек полупроводниковых приборов.
Известен способ получения литого композиционного материала Al-SiC, включающий нагрев частиц карбида кремния в насыпном состоянии до температуры 850-900°С и инфильтрацию частиц алюминиевым расплавом, нагретым до такой же температуры при интенсивном механическом перемешивании с последующим двухсторонним горячим прессованием в нагретой до 850-900°С пресс-форме при давлении 2,0-2,2 ГПа (Патент РФ 2356968).
Недостатком данного способа является высокая стоимость получаемого изделия, обусловленная сложностью технологического цикла, включающего два высокотемпературных процесса - инфильтрацию с интенсивным механическим перемешиванием и двухстороннее горячее прессование при температурах до 900°С, а также недостаточная однородность микроструктуры материала, вызываемая наличием оксидных образований в процессе перемешивания, а также внутренней усадочной пористостью, образующейся при кристаллизации материала в закрытом объеме.
Известен также способ получения изделия из композиционного материала на основе металлической матрицы, включающий получение исходной заготовки путем заполнения формы порошком карбида кремния разных размерных фракций, нагрев исходной заготовки, пропитку ее расплавом матричного металла и направленную кристаллизацию, причем для обеспечения мест под сверление отверстий для крепежа используют специальную конструкцию из матричного металла, размещаемую на дне разъемной формы для пропитки (Патент РФ 2357835).
Недостатком данного способа является невозможность получения множества композиционных изделий за одну пропитку, а также необходимость предварительного изготовления конструкций из матричного металла, размещаемых на дне формы, что снижает производительность процесса и повышает стоимость изделий.
За прототип принят способ получения высоконаполненного композиционного материала Al-SiC, включающий приготовление преформы, состоящей из множества чередующихся пористых заготовок, выполненных из порошка карбида кремния, и разделительных элементов. Преформу помещают в пресс, вакуумируют, пропитывают пористую заготовку матричным металлом и охлаждают. Применение двух размерных фракций порошка SiC (50 и 100 мкм) позволяет уменьшить пористость преформы, так как более мелкий порошок заполняет промежутки между частицами более крупного порошка. Подобный способ позволяет получить содержание наполнителя в КМ свыше 60% (Патент США 5941297).
Недостатком этого способа является невозможность получения готового изделия сложной формы, так как извлечение заготовки сложной формы из штампа для пропитки будет затруднено, а, кроме того, полученные заготовки будут иметь усадочную пористость, которая образуется при охлаждении заготовки. Еще один недостаток данного способа заключается в том, что полученные заготовки, состоящие из композиционного материала Al/SiC, имеют очень высокую твердость, что затрудняет их окончательную механическую обработку и последующие операции крепления на их поверхности печатных плат или других электронных силовых устройств.
Технической задачей настоящего изобретения является создание способа получения изделия из высоконаполненного композиционного материала с металлической матрицей и наполнителем в виде дисперсных керамических частиц, имеющего высокую плотность, высокую теплопроводность и низкий КЛТР, с возможностью получения беспористых изделий сложной формы, обеспеченных на поверхности слоем матричного металла толщиной 0,3-0,5 мм, необходимого для упрощения механической обработки готового изделия (шлифовки поверхности) и последующего нанесения на него никелевого покрытия и пайки силовой электроники к данному изделию.
Для решения поставленной задачи предложен способ получения изделия из композиционного материала Al-SiC, включающий приготовление преформы, состоящей из чередующихся пористых заготовок, выполненных из порошка карбида кремния, включающего не менее двух размерных фракций, и разделительных элементов, помещение преформы в устройство для пропитки, ее вакуумирование, пропитку пористых заготовок матричным металлом и охлаждение пропитанной заготовки с получением изделия из композиционного материала, отличающийся тем, что на каждой поверхности пористой заготовки, смежной с поверхностью разделительного элемента, крепят металлические элементы, обеспечивающие зазор между ними, разделительные элементы предварительно обрабатывают антипригарным покрытием, а пропитку осуществляют путем погружения преформы с пористыми заготовками в расплав матричного металла с последующей подачей давления инертного газа на зеркало расплава при давлении газа от 4 до 4,5 МПа.
Разделительные элементы выполнены из титана или титанового сплава.
Металлические элементы, обеспечивающие зазор между пористой заготовкой и разделительным элементом, выполнены из титана или титанового сплава.
Антипригарное покрытие разделительных элементов содержит 10-90% коллоидного графита и 90-10% нитрида бора.
Антипригарное покрытие способствует легкому разделению заготовок после пропитки и увеличивает срок службы разделительных элементов.
Металлические элементы предварительно крепят на пористой заготовке для получения слоя матричного металла толщиной 0,3-0,5 мм, необходимого для упрощения механической обработки готового изделия (шлифовки поверхности) и последующего нанесения на него никелевого покрытия, необходимого для пайки силовой электроники к данному изделию.
Осуществление пропитки методом погружения вакуумированной преформы в расплав матричного металла с последующей подачей давления инертного газа на зеркало расплава обеспечивает одностороннюю пропитку, исключающую захлестывание пузырьков остаточных газов объемом металла и блокирование их в замкнутом объеме. Давление инертного газа 4-4,5 МПа позволяет заполнить объемы пор, остающиеся незаполненными вследствие недостаточной смачиваемости карбида кремния матричным металлом и избежать образования рассеянно-усадочной пористости при кристаллизации.
Изобретение иллюстрируется Фиг.1, представляющей схему сборки преформы, где 1 - пористая заготовка, изготовленная из карбида кремния, 2 - разделительный элемент из титана или титанового сплава с антипригарным покрытием, 3 - металлический элемент, обеспечивающий зазор между пористой заготовкой и разделительным элементом.
Примеры осуществления:
Пример 1. Получение образца композиционного материала Al-65% SiC.
Для получения пористых заготовок необходимой плотности порошок карбида кремния, состоящий из 65 об.% частиц размером 200-250 мкм, 35 об.% частиц размером 90-125 мкм, перемешивали в шаровой мельнице в течение 30 мин и уплотняли в разъемной пресс-форме. Затем на поверхностях пористых заготовок, смежных с поверхностями разделительных элементов, крепили металлические элементы, выполненные из титана, толщиной 0,5 мм. Затем с помощью крепежа в виде струбцин проводили сборку пористых заготовок, снабженных металлическими элементами, в единую преформу, чередуя их с разделительными элементами из титанового сплава, на которые предварительно было нанесено антипригарное покрытие (30% BN+70% С). Преформу помещали в устройство для пропитки, вакуумировали и опускали под слой расплава алюминиевого сплава при температуре выше температуры плавления алюминиевого сплава на 100°С. Процесс пропитки проводили за счет подачи в устройство для пропитки инертного газа под давлением 4 МПа. После пропитки проводили направленную кристаллизацию изделия в вертикальном направлении. После кристаллизации и извлечения пропитанных пористых заготовок осуществляли их механическую обработку.
В результате получили изделие из композиционного материала со степенью наполнения по SiC 65 об.%, пористостью - не более 0,2%, с поверхностным слоем необходимой конфигурации, состоящим из матричного материала.
Пример 2. Получение образца композиционного материала Al-65% SiC с отверстиями в заранее предусмотренных местах.
Получение изделий проводили по примеру 1, только прессование пористых заготовок осуществляли в пресс-форме с закладными цилиндрическими элементами, закрепленными на верхней части разъемной пресс-формы, обеспечивающими отверстия в пористых заготовках. После кристаллизации проводили механическую обработку поверхности полученных пропитанных заготовок и сверление отверстий в предусмотренных местах.
В результате получили имеющие отверстия изделия из композиционного материала со степенью наполнения по SiC 65 об.%, пористостью - не более 0,2% с поверхностным слоем необходимой конфигурации из матричного материала.
Пример 3. Получение образца композиционного материала Al-70% SiC.
Для получения пористых заготовок необходимой плотности порошок карбида кремния трех различных фракций: 60 об.% частиц размером 200-250 мкм, 25 об.% частиц размером 90-125 мкм и 15 об.% частиц размером 1- 15 мкм, перемешивали в шаровой мельнице в течение 30 мин и уплотняли в разъемной пресс-форме. Затем на поверхностях пористых заготовок, смежных с поверхностями разделительных элементов, крепили металлические элементы, выполненные из титана, в виде титановой проволоки диаметром 0,5 мм. Затем с помощью крепежа в виде струбцин проводили сборку пористых заготовок, снабженных металлическими элементами, в единую преформу, чередуя их с разделительными элементами из титанового сплава, на которые предварительно было нанесено антипригарное покрытие (30% BN+70% С). Преформу помещали в устройство для пропитки, вакуумировали и опускали под слой расплава алюминиевого сплава при температуре выше температуры плавления алюминиевого сплава на 100°С. Процесс пропитки проводили за счет подачи в устройство для пропитки инертного газа под давлением 4 МПа. После пропитки проводили направленную кристаллизацию изделия в вертикальном направлении. После кристаллизации и извлечения пропитанных пористых заготовок осуществляли их механическую обработку.
В результате получили изделие из композиционного материала со степенью наполнения по SiC 70 об.%, пористостью - не более 0,2%, с поверхностным слоем необходимой конфигурации из матричного материала.
Пример 4. Получение образца композиционного материала Al-60% SiC по способу-прототипу.
Взяли порошок SiC размером 100 мкм - 60%, размером 50 мкм - 40%. Порошок перемешали, подвергли виброуплотнению, засыпали в штамп пресса, подвергли пропитке расплавом алюминия и охладили штамп. Получили изделие с содержанием SiC 60% и пористостью 1,8% без поверхностного слоя из матричного металла. Время механической обработки для придания изделию необходимой конфигурации возросло в 3 раза при значительном износе и частой замене режущего инструмента. При необходимости создания дополнительного слоя по данной технологии требуется дополнительная операция по нанесению покрытия на поверхность изделия напылением, диффузионной сваркой или гальваническим способом.
Из таблицы видно, что изделия, полученные предлагаемым способом, имеют высокое наполнение SiC, более низкую пористость по сравнению с прототипом, и плакирующий слой матричного металла (без использования дополнительных операций по его нанесению) для последующего нанесения на него слоя никеля, необходимого для последующей пайки элементов силовой электроники.
Данное изобретение позволит получать изделия из высоконаполненного композиционного материала с металлической матрицей из сплавов на основе алюминия или меди и наполнителем в виде дисперсных керамических частиц, имеющего высокую плотность, высокую теплопроводность, низкий КЛТР и низкую пористость, обеспеченные на поверхности слоем матричного металла, облегчающим механическую обработку готового изделия и последующий крепеж элементов силовой электроники. Получаемые изделия могут быть использованы в качестве оснований и корпусов изделий силовой полупроводниковой техники.
Таблица 1
№ образца
Пористость (%)
Теплопроводность Вт/м·К
КЛТР ×10<sup>-6 </sup>1/град при 20°С
Содержание наполнителя, %
Конфигурация изделия
1
0,2
170
8,3
65
МКМ сложной формы с поверхностным слоем из матричного материала.
2
0,2
170
8,3
65
МКМ сложной формы с отверстиями и с поверхностным слоем из матричного материала.
3
0,2
190
5,8
70
МКМ сложной формы с поверхностным слоем из матричного материала.
4 (по прототипу)
1,8
145
9,4
60
МКМ несложной формы без поверхностного слоя