热处理作用下导电铝合金的组织与性能

作     者：郑杭 

作者单位：河南工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：崔仲鸣;王星;付莹

授予年度：2023年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 080802[工学-电力系统及其自动化] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：Al-Mg-Si合金 热处理 Ce和B合金化 铸造 组织性能 

摘      要：Al-Mg-Si系合金具有比强度高、导电性能良好和价格低廉等优势,广泛用于长距离架空输电导线。国内电力资源主要分布在西部,高用电量需求地区多以东部和南部为主,随着国内经济高速发展,国内装机设备和用电量激增,因此,这种长距离架空输电模式对导线综合性能的要求不断提高。架空导线铝合金材料需要兼具优良的抗拉强度和导电性能,高抗拉强度能够提高导线服役期间的安全性和可靠性,高导电率则可有效降低输电线路中的能量损耗从而提高能源利用率。然而常规生产工艺和方法对于铝合金导线的抗拉强度和导电率的提升通常难以兼顾,因此,开发新型铝合金导线材料及其制备方法,在保证高导电率的前提下提高导线的抗拉强度具有重要的科学意义和价值。本文以Al-0.52Mg-0.31Si(wt.%)合金为基础,分别研究了Ce和B元素对铸态合金显微组织和性能的影响,对合金进行热处理,研究了Ce和B添加后热处理对合金组织和性能的影响,获得了合金中Ce和B元素的最优添加量。进一步研究了Ce和B复合合金化对热处理态Al-0.52Mg-0.31Si(wt.%)合金的组织和力学与导电性能的调控。主要的研究结果如下:(1)研究了不同Ce添加量对铸态Al-0.52Mg-0.31Si(wt.%)合金组织性能的影响,并对合金进行热处理,研究了热处理对合金组织和性能的调控,确定合金Ce元素最优的添加量。在0～0.4 wt%范围内,随着Ce添加量的提高合金的抗拉强度和导电率均呈先增加后降低的趋势。Ce元素能够细化铸态合金的晶粒尺寸,并与Al、Si反应行成Al Ce Si和Ce Si相,同时,Ce元素能够促进β-AlFe Si相转变为α-AlFeSi相。当合金中Ce添加量为0.2 wt.%时,热处理态合金的综合性能最优,其导电率为54.9%IACS,抗拉强度为157 MPa。Ce元素的添加使合金中固溶的部分Fe、Si元素析出以并以第二相的形式存在,从而提高合金的导电率;适量添加Ce元素可使合金的晶粒尺寸减小,单位面积晶界的增多阻碍位错运动能力增强,合金的抗拉强度提高。(2)研究了不同B添加量对铸态Al-0.52Mg-0.31Si(wt.%)合金组织性能的影响,并对合金进行热处理,研究了热处理对合金组织和性能的调控,确定合金B元素最优添加量。在0.02～0.08 wt.%范围内,随着B添加量的提高合金的抗拉强度和导电率呈先增加后降低的趋势。B元素能够促进铸态合金内的Al Fe Si相的形成,并促进针状的Al Fe Si相的形貌改善为球状,有利于提高合金的抗拉强度和伸长率,同时适量的B元素对合金的净化作用可以有效提高合金的导电率。当合金中B添加量为0.08 wt.%时,EDS检测到颗粒状的含B相,合金的导电率下降。当合金中B添加量为0.04 wt.%时,热处理态合金的导电率为56.5%IACS;合金的抗拉强度为137 MPa,此时合金表现出最优的综合性能。(3)研究了Ce和B复合合金化对铸态Al-0.52Mg-0.31Si(wt.%)合金组织性能的影响,并对合金进行热处理,研究了热处理对合金组织和性能的调控。结果表明,Ce和B复合添加显著细化了热处理态合金的晶粒尺寸,晶粒平均尺寸最小约为198μm,Ce和B复合合金化后合金的综合性能较好。Ce和B复合添加,合金析出含Fe、Si相增多,减少Fe、Si元素在合金中电子散射的作用,且合金的晶粒尺寸减小,提高合金的抗拉强度。当Ce元素的添加量为0.2 wt.%B元素的添加量为0.04 wt.%时,热处理态Al-0.52Mg-0.31Si(wt.%)合金的导电率为56.7%IACS,抗拉强度为147 MPa。