含高密度纳米粒子的高韧耐热铝导体材料及制备方法

本发明属于导体材料，特别是涉及一种含高密度纳米粒子的高韧耐热铝导体材料及制备方法。

背景技术：

1、铝合金导体材料凭借其较低成本、较高的比强度、较高的导电率、良好的综合力学性能，优异的耐蚀性等特点受到了广泛关注。在用电需求量增大、线路输电容量提升的时代背景下，铝合金导体材料面临一个关键制约的因素：耐热性。迄今为止，耐热铝合金导体的种类繁多，但基本都在al-zr系耐热铝合金中调整微合金化元素，改进制造工艺来研发和生产的。早在二十世纪五十年代，美国的harrington就提出向纯铝中添加zr元素，可显著提升合金的再结晶温度，同时仅小幅度降低电导率。日本导线设计团队在1960年前后对此进行了大量实验设计，开发了一系列al-zr系耐热导电铝合金，导电率达到58％iacs以上，实现连续运行温度达150℃，经过长期研究开发和工艺改进，此类耐热铝合金导线已成功走出实验室，被广泛应用于高压和超高压的送电关键路段上。

2、通过适宜的铝合金成分设计方法、热处理工艺，实现铝合金中纳米析出相有效调控，有望在一定程度上打破铝合金导体材料电导率-强度制约关系，这也是目前al-zr系耐热铝导体材料研究的热点。稀土元素在铝合金中固溶度普遍较低，对电导率影响较小，同时部分元素可在铝合金析出耐热纳米粒子，在300℃下可获得显著的沉淀强化效果，如er、yb、sc、lu等，这些元素目前被认为是可在铝合金中形成共格l12结构纳米析出相的稀土元素，其中sc已有大量研究基础，20世纪初便由美国西北大学的研究者率先提出了一系列al-sc-zr基耐热铝合金材料，并在随后20年左右的时间中逐步细化了zr、er、yb、si等微合金化作用与其材料设计方法。国内外研究者在此期间上发展了大量含钪的al-zr基耐热铝合金导体材料，包括al-sc-zr、al-er-sc-zr等体系。

3、稀土sc价格昂贵，较廉价l12结构粒子形成元素er、yb自然成为sc潜在的替代元素而被广泛研究，亦发展了大量al-er-zr、al-yb-zr、al-er-yb-zr体系的al-zr基耐热铝合金导体材料。中国专利公告号为cn111349820b的专利提供了一种高导电率耐热al-zr-er合金导线材料，按质量百分比包括以下组分：zr 0.02-0.15％，er 0.01-0.2％，b0.01-0.04％，fe≤0.20％，si≤0.05％，(v+ti+cr+mn)≤0.01％，余量为铝。制得的耐热铝合金单丝材料的导电率≥61.5％iacs，抗拉强度≥160mpa，延伸率＞3.5％，耐热温度≥150℃，于230℃下加热1h后强度残存率大于90％。此外中国公开号为cn111434789a的专利发明了一种热处理型高导电率耐热al-zr-er-yb合金导线材料，导电率≥62％iacs，抗拉强度≥160mpa，长期耐热温度达到150℃，短期耐热温度达到230℃，但延伸率≤4％。作为al-zr基耐热导体材料，以上专利的案例均选择了有利于al3(zr,er)、al3(zr,er,yb)等纳米粒子析出的热处理工艺和适宜的变形工艺，实现了较高抗拉强度，表现出极其优异的导电性能，但在大塑性变形条件下，延伸率在4％以下。

4、er、yb作为sc的替代稀土元素仍存在诸多问题，一方面，yb、er元素在铝中的扩散速率比sc更快，析出相较容易发生粗化，使其强化效果降低，并且有损害导电性能的风险，这使含yb、er元素纳米粒子的析出在工艺上更加难以调控；第二方面，er、yb元素在铝中固溶度远低于sc，可获得的粒子数密度较少，导致强化效果较sc偏低。

技术实现思路

1、本发明实施例的目的在于提供一种含高密度纳米粒子的高韧耐热铝导体材料及制备方法，铝合金导体具有更高密度纳米析出相，更小的析出相尺寸，实现较高抗拉强度、优异韧塑性，同时保持良好导电性能。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是，含高密度纳米粒子的高韧耐热铝导体材料，按照质量百分比，包括以下成份：

3、ce 0.005-0.2％，er 0.1-0.25％，yb 0.1-0.25％，zr 0.1-0.2％，余量为al和不可避免的杂质元素。

4、优选的，按照质量百分比，包括以下成份：

5、ce 0.1％，er 0.15％，yb 0.20％，zr 0.15％，余量为al和不可避免的杂质元素。

6、本发明所采用的另一技术方案是：一种含高密度纳米粒子的高韧耐热铝导体材料的制备方法，具体包括以下步骤：

7、s1，按设计的铝合金组分配比，称取中间合金原料，清洗原料烘干；

8、s2，将高纯铝放入坩埚，置于电阻炉内熔化，之后加入中间合金原料，熔融后进行充分搅拌使铝合金液的成分均匀；

9、s3，熔化完全后，在熔体中充入氩气进行除气除渣处理，静置后浇铸成型铸锭，然后铸锭经过均匀化处理及热挤压工艺，获得含高密度纳米粒子的高韧耐热铝导体材料。

10、优选的，所述s1中选用99.9％高纯铝锭、al-5zr合金、al-10yb合金、al-20ce合金、al-20er合金作为中间合金原料。

11、优选的，所述s2中的坩埚选用石墨坩埚。

12、优选的，所述s2中，电阻炉温度在730℃～760℃。

13、优选的，所述s3中，浇铸模具选用铜模具，经160℃预热。

14、优选的，所述s3中，浇铸成型的铝稀土合金铸锭进行均匀化处理，选择均匀化工艺为：均匀化温度465～500℃，保温9-15h。

15、优选的，所述s3中，热挤压的挤压温度为300～420℃。

16、本发明的有益效果是：在高纯铝中复合添加zr、yb、er、ce元素，结合适宜的制备工艺，获得一种含高密度纳米析出相的高韧耐热铝合金导体材料。将专利公开号为cn111434789a的专利成果相似成分的铝合金导体材料作为对比例，本发明提供的技术方案制备的铝合金导体具有更高密度纳米析出相，更小的析出相尺寸，实现较高抗拉强度、优异韧塑性，同时保持良好导电性能，抗拉强度≥110mpa，导电率≥58.5％iacs，延伸率≥35％。本发明所设计和制备的材料可以作为耐热铝合金导电材料使用，特别适用于制造服役环境对材料韧性要求较高的耐热导电材料。

技术特征：

1.含高密度纳米粒子的高韧耐热铝导体材料，其特征在于，按照质量百分比，包括以下成份：

2.根据权利要求1所述的含高密度纳米粒子的高韧耐热铝导体材料，其特征在于，按照质量百分比，包括以下成份：

3.一种如权利要求1所述的含高密度纳米粒子的高韧耐热铝导体材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的含高密度纳米粒子的高韧耐热铝导体材料的制备方法，其特征在于，所述s1中选用99.9％高纯铝锭、al-5zr合金、al-10yb合金、al-20ce合金、al-20er合金作为中间合金原料。

5.根据权利要求3所述的含高密度纳米粒子的高韧耐热铝导体材料的制备方法，其特征在于，所述s2中的坩埚选用石墨坩埚。

6.根据权利要求3所述的含高密度纳米粒子的高韧耐热铝导体材料的制备方法，其特征在于，所述s2中，电阻炉温度在730℃～760℃。

7.根据权利要求3所述的含高密度纳米粒子的高韧耐热铝导体材料的制备方法，其特征在于，所述s3中，浇铸模具选用铜模具，经160℃预热。

8.根据权利要求3所述的含高密度纳米粒子的高韧耐热铝导体材料的制备方法，其特征在于，所述s3中，浇铸成型的铝稀土合金铸锭进行均匀化处理，选择均匀化工艺为：均匀化温度465～500℃，保温9-15h。

9.根据权利要求3所述的含高密度纳米粒子的高韧耐热铝导体材料的制备方法，其特征在于，所述s3中，热挤压的挤压温度为300～420℃。

技术总结
本发明公开了一种含高密度纳米粒子的高韧耐热铝导体材料及制备方法，按照质量百分比，包括以下成份：Ce 0.005‑0.2％，Er 0.1‑0.25％，Yb 0.1‑0.25％，Zr 0.1‑0.2％，余量为Al；按设计的铝合金组分配比，称取各组分，铸造成型铸锭，然后经均匀化处理及热挤压工艺制得。制备的铝合金导体材料与现有含Er、Yb稀土的Al‑Zr系耐热铝合金导体材料相比，具有更高密度纳米析出相和更小析出相尺寸，实现较高抗拉强度、优异韧塑性的同时保持良好导电性能，抗拉强度≥110MPa，导电率≥58.5％IACS，延伸率≥35％。可以作为耐热铝合金导电材料使用。

技术研发人员：肖代红,李泽宇,刘文胜
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/21