保护层耐热性

铝合金以其质轻、高比强、抗腐蚀等优异性能，广泛应用于航空航天、武器装备、轨道交通、汽车等领域的轻量化结构。增材制造技术不受工艺条件的约束和限制，为航空航天等领域复杂铝合金构件（如复杂框梁、薄壁、内流道结构等）的定制化生产提供了前所未有的机遇。然而，常见的铝合金通常表现出较差的成形性，增材制造过程中极易出现裂纹等冶金缺陷，导致较差的力学性能。目前，取得广泛商业应用的增材制造铝合金仅限于AlSi12、AlSi10Mg等少数铝硅系合金。而2xxx系和7xxx系等传统高强铝合金因其较宽的凝固区间，在增材制造复杂热应力环境下极易产生严重的热裂纹倾向，导致实际应用于增材制造铝合金种类非常少，难以满足承重、耐热等复杂服役环境对铝合金构件的迫切需求。因此，亟需开发兼具良好成形性与强韧性的增材制造铝合金。良好的高温稳定性近期，中南大学粉末冶金国家重点实验室的陈超和长沙理工大学的刘小春等人在开发增材制造高强耐热铝合金方面取得重要进展。该工作基于Al−Ni共晶合金凝固区间小、流动性好等特点，有效降低了铝合金在增材制造复杂热应力条件下的裂纹敏感性，在非常宽的工艺参数范围内合金内部都没有出现微裂纹。选区激光熔化（SLM）增材制造过程的高冷却速度还极大地细化了共晶组织，获得了纳米级球状Al3Ni粒子均匀分布于铝基体的粒状共晶组织。相比于铝硅系合金，Al−Ni共晶具有更高的共晶温度 (640℃)、在铝基体中更低的固溶度 (0.02wt.%) 以及更低的扩散系数，形成的Al3Ni 粒子具有非常好的高温稳定性，增材制造的Al−Ni合金表现出较好的耐热性能。选区激光熔化成形Al−Ni共晶合金室温抗拉强度超过400 MPa，室温延伸率10%，300℃的抗拉强度超过140 MPa，同时还具有较宽的成形工艺窗口。相关论文以题为“A high-strength heat-resistant Al−5.7Ni eutectic alloy with spherical Al3Ni nano-particles by selective laser melting”发表在期刊Scripta Materialia上。SLM 成形的Al−Ni共晶合金致密度超过99.8%。在极高的冷却速度下，合金晶粒细小，形成了平行于凝固方向的细小柱状晶合金，在垂直于建造方向的横截面和平行于建造方向的纵截面两个截面统计晶粒大小分别为 5.1μm和7.1μm。图1 SLM成形Al-Ni合金的显微组织：(a) SLM 示意图；(b) 横截面和 (c) 纵截面的EBSD图；(d) 合金的晶粒尺寸分布；(e) KAM统计图；(d) XRD。亚晶和晶内亚结构发达，合金较高的平均局部取向差，反映了合金内部较高的位错密度。SLM成形的Al−Ni合金主要由α-Al相和Al3Ni相组成。不同于传统铸造Al−Ni合金中呈棒状或纤维状的Al3Ni相，SLM成形Al−Ni合金中的Al3Ni相为球状，弥散分布于α-Al基体中，平均尺寸约为32nm。同时，α-Al基体中Ni元素的含量仍高达3.5wt.%，表明在SLM过程中极高的冷却速度下，大量Ni原子固溶在α-Al基体中形成超饱和固溶体。部分尺寸较小的Al3Ni颗粒与α-Al基体存在着Al//Al3Ni、{111}Al//{211}Al3Ni的位相关系。图2 合金的TEM分析：(a) TEMBF；(b)HAADF；(c)面扫描；(d)线扫描。图3 Al3Ni与α-Al基体的位相关系：(a) HRTEM；(b) IFT，(c,d) FT。SLM成形Al−Ni合金在室温下的抗拉强度、屈服强度及延伸率分别为410 MPa、280 MPa和9.5%，远高于铸造Al−Ni合金的性能。细小弥散分布的球状Al3Ni粒子是高强度的重要来源。合金在250℃时仍保持210MPa的屈服强度，在300℃的屈服强度接近140 MPa，显示出优于Al-Si系合金的高温力学性能。Ni原子在铝基体中更低的扩散系数（300℃下，dNi=2.7×10−17m2/s，dSi=2.6×10−16m2/s）和较低的固溶度保证了Al−Ni合金优异的高温强度和抗蠕变性能。图4 合金的力学性能：(a)应力应变曲线；(b)柱状图。

PCB（Printed Circuit Board）,中文名称为印刷线路板，是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气相互连接的载体，具有高密度化、高可靠性、可测试性、可组装性等一系列的优点。几乎每种电子设备，小到电子手表、计算器，大到计算机、通信电子设备、军用武器系统，只要有集成电路等电子元件，为了使各个元件之间的电气互连，都要使用印制板。目前印制板的品种已从单面板发展到双面板、多层板和挠性板；结构和质量也已发展到超高密度、微型化和高可靠性程度；新的设计方法、设计用品和制板材料、制板工艺不断涌现。下文将举例介绍电子探针（EPMA）在印刷板工艺优化方面的应用。 图1. 岛津场发射电子探针EPMA-8050G 岛津EPMA-8050G型电子探针（图1）搭载高质量场发射电子光学系统，结合岛津的52.5°高X射线取出角和全聚焦晶体，可以实现： 1、优越的空间分辨率：EPMA-8050G可达到的更高级别的二次电子图像分辨率3nm（加速电压30kV）。（加速电压10kV时20nm@10nA/50nm@100nA/150nm@1μA） 2、大束流更高灵敏度分析：可实现其他仪器所不能达到的大束流（加速电压30kV时可达3μA）。在超微量元素的检测灵敏度上实现了质的飞跃，将元素面分析时超微量元素成分分布的可视化成为现实。 岛津研发部门使用EPMA-8050G仪器对智能手机天线中的多层压印刷电路板（Laminated multilayer PCBs）进行了表面微区元素和形貌分析。 图2. 展示多层压电路板横截面中的多元素重叠分布，元素含量数据以颜色编码形式展现，其中，红色富Cu区域代表铜箔层，清晰可见4层大致10 μm厚度的铜箔层分布；绿色富C区域代表树脂层；蓝色富Al区域代表填料层；左边缘分布的粉色区域则代表富N的保护层；而右边缘黄色区域则代表与树脂混合的含Si填料，用于提升电路板的耐热性。图2 多层夺印刷电路板的横截面多元素层叠分布图 图3.分别展示了多种元素的分布情况，清晰可见P元素与Al元素、Si元素分布于相同的层状区域，表明填料层中主要以有机磷阻燃剂为主，且符合印刷电路板的无卤素要求。 图3背散射和元素表面分布图像 将多层压印刷电路板剥离分层处理后可分别对其铜箔层和树脂层表面以及层间界面进行分析。图4. 展示了分层处理后的界面信息，其中，蓝色虚线左侧代表铜箔层表面，右侧则代表树脂层表面。铜箔层表面呈现细粒不规则的“雪球”状突起构造，树脂层表面则分布对应的凹状构造。元素重叠分布图中可清晰显示铜箔层中的C元素残留以及树脂层中的Cu元素残留，这些层间残留元素的含量可用于表征电路板的层间粘合强度。 图4铜箔层和树脂层界面的背散射和元素表面分布图像 图5. 展示了高放大倍数条件下铜箔层表面不同区域的二次电子图像。电子信号在铜箔层内传导过程中通常在高频段产生传导损失的现象被称为“集肤效应（Skin effect）”。这种效应（传导损失）随着铜箔层表面不规则程度变大而变大，然后表面过于平整同样会影响电路板的层间粘合强度，因此电路板制作工艺的优化需要平衡这两方面的因素。 图5铜箔层表面二次电子图像 更多电子探针仪器信息和相关应用敬请关注岛津科技资讯通推文内容。 本文内容非商业广告，仅供专业人士参考。

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