Al-Zr及Al-Mg-Si-Sc合金的性能调控与工艺优化
发布时间：2020-12-16 01:17
铝合金除了具有较好的力学性能外,还具有较高的电导率,因此也常被用作电工材料。与常用的铜导体材料相比,铝合金导线材料具有密度小、重量轻、价格便宜等特点而得到越来越多的使用,例如架空输电线路所使用的导线、汽车电瓶线及线束原线、高压隔离开关等。但是纯铝的强度很低,难以得到实际应用,而铝的强化方式,如固溶强化、加工硬化、细晶强化、析出强化等,均是增加了缺陷（包括点缺陷、线缺陷和面缺陷）的密度,在阻碍位错运动的同时也对电子的运动产生了强烈的散射作用,导致电导率降低。这种强度与电导之间的互斥关系使得高强度和高电导难以兼得,因此成为了制约新型铝导线材料高性能发展的瓶颈。本文分别研究了 Al-Zr和Al-Mg-Si-Sc两种体系的铝合金导线材料,通过系统地表征材料的微观组织,并与力学性能和电导性能分别建立关联,充分理解性能与微观组织之间的关系,从而优化加工/热处理工艺,以实现微观组织的设计,进一步改善力学/电学性能。在Al-Zr系的研究中,分别研究了不同Zr含量（0.05,0.15,和0.25 wt%）下加工变形和时效处理对合金组织及性能的影响,在此基础上进行了导线的工艺优化。研究结果表明:（i）随着...
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)钢芯铝绞线；(b)全铝合金导线示意图
1文献综述3金，国际上主要有八个系列，分别1XXX系列，工业纯铝板、2XXX系列Al-Cu、Al-Cu-Mn合金、3XXX系列Al-Mn合金、4XXX系列Al-Si合金、5XXX系列Al-Mg合金、6XXX系列Al-Mg-Si合金、7XXX系列Al-Zn-Mg合金、8XXX系列。其中1系、6系铝合金经常被用作各种导体材料，无论哪种形式，都需要材料具有高的导电率同时需要具有一定的强度，因此需要对合金进行改性，并研究对合金性能的影响，以此进行工艺优化。图1-2多种铝及铝合金材料用于高压隔离开关的不同导电部位【6】Fig1-2Avarietyofaluminumandaluminumalloymaterialsfordifferentconductivepartsofhighvoltagedisconnectors1.2铝合金强化机制及方法铝合金的强化机制主要包括固溶强化、位错强化、细晶强化及析出强化。在Al基体中固溶原子，会引起晶格发生畸变、固溶原子发生偏聚等，这些缺陷会阻碍位错运动，从而可以提高合金的强度【15,16】，这就是固溶强化。固溶强化效果ss可以表示为：2/3ssjjjqC，（1-1）式中：jC——铝合金固溶体中相应溶质原子的浓度；jk——相应的比例因子；j——合金中的溶质元素。铝合金常用主要的合金化元素包括Cu、Mg、Si、Mn、Zn等，如工业纯铝板、Al-Cu(Mn)合金、Al-Mn合金、Al-Si合金、Al-Mg合金、Al-Mg-Si合金、Al-Zn-Mg合金。除了上述主要合金化元素外，还加入一些微量元素对其合金性能进行调整，如Ti、La、Zr、Sc、Ce、Ag等【17,18】。经过剧烈的塑性变形后，铝合金内部会产生大量位错等缺陷，位错密度的增加可以提高合金强度。位错引起合金的强化可以表示为【19,20】：1/2dMGb(1-2)式中：——0.33的常数；M——泰勒因子；
西安理工大学硕士学位论文6图1-3合金元素固溶量对铝合金电导率的影响【29】Fig1-3Effectofsolidsolutioncontentofalloyelementsonelectricalconductivityofaluminumalloy1.4Al-Zr体系研究现状尽管1xxx系铝合金含铝99.00%以上，导电性好，耐腐蚀性能好，焊接性能好，但其不可热处理强化，强度低，耐热性差，因此不能直接用作要求强度高、耐热性好的导体材料，如导线等。在保证较高载流量的前提下，如何提高耐热铝合金的导电率、强度以降低线损并有效控制成本成为当前耐热铝合金导线亟待解决的关键技术问题，对其添加微量合金元素进行改性是提高其强度的主要方法。其中Zr是常用的微量化合金元素之一，从Al-Zr二元相图图1-4可以看出，Zr在Al中的固溶度低，易于形成热稳定性较高的Al3Zr，这可以阻碍晶粒粗化，阻碍合金的再结晶发生。时效后，过饱和的Al-Zr固溶体的分解成具有亚稳态立方L12结构（结构和化学性质类似于Ni基高温合金中的Ni3Al(c0)相【30】的Al3Zr析出相。在较高的同源温度下是高度稳定的。Fine和同事【31-33】提出，通过减少Al3Zr与α-Al固溶体之间的晶格参数失配，可以获得更大的稳定性。因此，Al-Zr系统对于开发热稳定的析出强化铝合金具有特殊的前景【34】。Zr扩散系数小，析出速率慢，在400℃下，Zr在缺陷较少的Al中的扩散速率约为1.20×10-20m2/s，比Al的自扩散速率低5个数量级【35】，可以看出，Zr在缺陷较少的Al中的时效析出过程十分缓慢，而且Al3Zr难以充分析出。从上图1-3可以看出，不利Al-Zr合金电导率的非常大的因素是固溶的Zr，其比析出形式高两个数量级。当Zr的固溶量为0.01%Zr(质量分数)时，Al-Zr合金电阻率的为0.17×10-18·m(0.99%IACS)，而0.1%(质量分数)Al3Zr对合金电阻率的影响仅为4×10-1
本文编号：2919246
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)钢芯铝绞线；(b)全铝合金导线示意图
1文献综述3金，国际上主要有八个系列，分别1XXX系列，工业纯铝板、2XXX系列Al-Cu、Al-Cu-Mn合金、3XXX系列Al-Mn合金、4XXX系列Al-Si合金、5XXX系列Al-Mg合金、6XXX系列Al-Mg-Si合金、7XXX系列Al-Zn-Mg合金、8XXX系列。其中1系、6系铝合金经常被用作各种导体材料，无论哪种形式，都需要材料具有高的导电率同时需要具有一定的强度，因此需要对合金进行改性，并研究对合金性能的影响，以此进行工艺优化。图1-2多种铝及铝合金材料用于高压隔离开关的不同导电部位【6】Fig1-2Avarietyofaluminumandaluminumalloymaterialsfordifferentconductivepartsofhighvoltagedisconnectors1.2铝合金强化机制及方法铝合金的强化机制主要包括固溶强化、位错强化、细晶强化及析出强化。在Al基体中固溶原子，会引起晶格发生畸变、固溶原子发生偏聚等，这些缺陷会阻碍位错运动，从而可以提高合金的强度【15,16】，这就是固溶强化。固溶强化效果ss可以表示为：2/3ssjjjqC，（1-1）式中：jC——铝合金固溶体中相应溶质原子的浓度；jk——相应的比例因子；j——合金中的溶质元素。铝合金常用主要的合金化元素包括Cu、Mg、Si、Mn、Zn等，如工业纯铝板、Al-Cu(Mn)合金、Al-Mn合金、Al-Si合金、Al-Mg合金、Al-Mg-Si合金、Al-Zn-Mg合金。除了上述主要合金化元素外，还加入一些微量元素对其合金性能进行调整，如Ti、La、Zr、Sc、Ce、Ag等【17,18】。经过剧烈的塑性变形后，铝合金内部会产生大量位错等缺陷，位错密度的增加可以提高合金强度。位错引起合金的强化可以表示为【19,20】：1/2dMGb(1-2)式中：——0.33的常数；M——泰勒因子；
西安理工大学硕士学位论文6图1-3合金元素固溶量对铝合金电导率的影响【29】Fig1-3Effectofsolidsolutioncontentofalloyelementsonelectricalconductivityofaluminumalloy1.4Al-Zr体系研究现状尽管1xxx系铝合金含铝99.00%以上，导电性好，耐腐蚀性能好，焊接性能好，但其不可热处理强化，强度低，耐热性差，因此不能直接用作要求强度高、耐热性好的导体材料，如导线等。在保证较高载流量的前提下，如何提高耐热铝合金的导电率、强度以降低线损并有效控制成本成为当前耐热铝合金导线亟待解决的关键技术问题，对其添加微量合金元素进行改性是提高其强度的主要方法。其中Zr是常用的微量化合金元素之一，从Al-Zr二元相图图1-4可以看出，Zr在Al中的固溶度低，易于形成热稳定性较高的Al3Zr，这可以阻碍晶粒粗化，阻碍合金的再结晶发生。时效后，过饱和的Al-Zr固溶体的分解成具有亚稳态立方L12结构（结构和化学性质类似于Ni基高温合金中的Ni3Al(c0)相【30】的Al3Zr析出相。在较高的同源温度下是高度稳定的。Fine和同事【31-33】提出，通过减少Al3Zr与α-Al固溶体之间的晶格参数失配，可以获得更大的稳定性。因此，Al-Zr系统对于开发热稳定的析出强化铝合金具有特殊的前景【34】。Zr扩散系数小，析出速率慢，在400℃下，Zr在缺陷较少的Al中的扩散速率约为1.20×10-20m2/s，比Al的自扩散速率低5个数量级【35】，可以看出，Zr在缺陷较少的Al中的时效析出过程十分缓慢，而且Al3Zr难以充分析出。从上图1-3可以看出，不利Al-Zr合金电导率的非常大的因素是固溶的Zr，其比析出形式高两个数量级。当Zr的固溶量为0.01%Zr(质量分数)时，Al-Zr合金电阻率的为0.17×10-18·m(0.99%IACS)，而0.1%(质量分数)Al3Zr对合金电阻率的影响仅为4×10-1
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