[发明专利]具有双球壳结构析出相耐热铝锆合金电缆材料及其制备方法

说明书

本发明属于新材料领域，公开了具有双球壳结构析出相耐热铝锆合金电缆材料及其制备方法。本发明设计了合理的Al‑Zr‑Ti‑Sc合金元素成分，结合多级的形变及热处理工艺，制备得到的Al‑Zr‑Ti‑Sc合金抗拉强度可达到230～255 MPa，导电率可达到60.2%～61.3%IACS，适用于对应力学性能和导电性能要求较高的Al‑Zr‑Ti‑Sc合金，如电力电网用耐热铝合金电缆。

技术领域

本发明属于新材料领域，具体涉及具有双球壳结构析出相耐热铝锆合金电缆材料及其制备方法。

背景技术

耐热铝合金导线具有很好的扩容特性，此类导线不仅成本较低还能提高高压输电线的传输能力。这些耐热铝导线可以提高载流量，服役温度120℃时，载流量可提高40%。特别是在一些地处严寒地带的国家，由于经常有暴雪霜冻天气经常造成电线短路引起严重安全隐患，所以对高压输送线路要求更高[1]。因此，在保证导线在高温使用下不软化、不过度损耗线路强度，同时要提高耐热铝合金导线的导电率及载流量是亟需解决的工程问题。

传统的合金导线在超过90℃就开始软化，输电电流下降。如果强行提升载流量势必会对导线进行进一步损坏以及对环境造成安全威胁。20世纪40年代，美国等工大国开始关注耐热型输电线路，并研究其耐热机理，努力寻找添加微量元素可以提高导电铝合金耐热性的方法。Al-Zr耐热导线起初是由1949年R.H Harrington[2]研究出的，并提到添加适量的Zr元素可以大幅提升铝合金本身的耐热性。此后，获得许多研究学者的关注，尤其20世纪中叶，许多地处寒冷地带如俄罗斯、日本、加拿大等国家开始大量使用耐热铝合金导线用于高压线路中 [3]。19世纪60年代，日本开始使用耐热铝合金导线，导电率达到58% IACS。十年后，日本又研制出了导电率可高达60% IACS的耐热铝合金导线，并广泛应用于输电线路中。目前为止日本等发达国家60% IACS以上导电率的耐热AAAC导线应用率已占所有输电线路的70%。

目前许多国家生产制备Al-Zr耐热性合金导线，最直接原因是Zr元素具有低扩散系数能提高合金耐热性，并且通过热处理工艺能生成稳定的Al₃Zr弥散相来改善基体的强度[4]。除此之外，添加Zr元素能提高合金的再结晶温度。在制备导线过程中，要经过一系列的冷变形，此过程会产生大量位错引起空位堆积。在后续热处理中Al会和Zr反应生成纳米级的Al₃Zr相，这些弥散相密集钉扎在位错、晶界处，阻碍再结晶，变形后形成了稳定的亚结构[5]。国内外已有许多学者对Al-Zr耐热导线做了一定的研究。有研究指出由于Zr原子的扩散迟滞性使Al₃Zr相析出缓慢，并在凝固过程会发生微观偏析或是造成无沉淀析出区域，这样势必会对服役期间合金的机械性能和导电性能带来有害影响[6]。基于Al-Zr合金的基础上，添加适量的微合金元素（如Sc、Er、Ti、Y）等来提供合金最大的耐热性及蠕变抗性。所以，耐热铝合金导线的本质就是通过添加高熔点或者低扩散系数的元素形成稳定相来阻碍位错和晶界运动，不仅可以提高耐热性而且拥有良好的强度和导电性匹配。

参考文献：

[1] 黄崇祺，丁关森，李文浩，等. 我国电工铝导线的研究和生产[J]. 电线电缆,2005, (4): 3-7.

[2] Harrington R. The Effect of Single Addition Metals on theRecrystallization Electrical Conductivity and Rupture Strength of PureAluminum [J]. Transactions of the American Society for Metals, 1949, 41: 443-459.

[3] 王祝堂. 俄罗斯建首条电力铝线杆生产线[J]. 轻金属, 2015, (8): 58-58.