[發(fā)明專(zhuān)利]一種高性?xún)r(jià)比高強(qiáng)高導(dǎo)的Al-Sc-Zr-Yb合金及其熱處理工藝

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201611065568.7
• 申請(qǐng)日: 2016-11-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106756265B
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-01-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 高坤元;楊倩;丁宇升;聶祚仁;文勝平;黃暉;吳曉藍(lán)
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): C22C21/00
• 分類(lèi)號(hào): C22C21/00;C22F1/04
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 張立改

一種高性?xún)r(jià)比高強(qiáng)高導(dǎo)的Al?Sc?Zr?Yb合金及其熱處理工藝，屬于合金技術(shù)領(lǐng)域。合金為在在鋁基體中加入了0.193～0.256％(重量百分比)的Sc，0.187～0.243％(重量百分比)的Zr，0.077～0.109％(重量百分比)的Yb。該合金的熱處理工藝首先在640±10℃下固溶處理40～50小時(shí)，水淬至室溫，然后在350～400℃之間進(jìn)行96～144h的等溫時(shí)效。本發(fā)明由于采用了Sc、Zr、Yb的復(fù)合微合金化，合金不僅同時(shí)具備顯著的時(shí)效強(qiáng)化效果和良好的導(dǎo)電性，而且在取得相同硬度值的情況下，相較于Al?Sc?Zr合金，Al?Sc?Zr?Yb合金的價(jià)格可降低30元/千克，具有高性?xún)r(jià)比。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于合金材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到一種經(jīng)過(guò)復(fù)合微合金化的鋁合金材料及其熱處理工藝。

技術(shù)背景

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展，對(duì)于電力這一重要能源的需求不斷攀升。作為導(dǎo)線(xiàn)材料，鋁及其合金不僅具有優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱性，良好的加工性，而且價(jià)格低廉，因此受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。

導(dǎo)線(xiàn)材料除了要有良好的導(dǎo)電率外還應(yīng)具有一定的強(qiáng)度以支持自身的質(zhì)量及外來(lái)的自然載重(風(fēng)荷載冰荷載等)。在材料學(xué)領(lǐng)域，提高鋁合金強(qiáng)度的方法有細(xì)晶強(qiáng)化、形變強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化四種方式。用不同的方法強(qiáng)化材料的同時(shí)，會(huì)對(duì)材料的導(dǎo)電性產(chǎn)生一定的影響。研究表明，當(dāng)金屬發(fā)生冷塑性變形后強(qiáng)度、硬度升高，導(dǎo)電性會(huì)略有降低；當(dāng)晶粒細(xì)化后，由于晶粒減小，晶界面積增多，晶界對(duì)電子的散射作用增強(qiáng)，也會(huì)使材料導(dǎo)電性略有降低。總之，細(xì)晶強(qiáng)化和形變強(qiáng)化對(duì)材料的導(dǎo)電性有一定的影響，但影響程度較小。當(dāng)鋁中雜質(zhì)或合金元素處于固溶態(tài)時(shí)，對(duì)鋁的導(dǎo)電性有非常強(qiáng)烈的影響，而當(dāng)其處于析出態(tài)時(shí)，對(duì)導(dǎo)電性的影響僅是固溶態(tài)的幾分之一到幾十分之一，因此，固溶強(qiáng)化這種方式可以提高強(qiáng)度但卻使導(dǎo)電性大大降低，不符合導(dǎo)線(xiàn)的導(dǎo)電性需求。綜上所述，要得到同時(shí)具備高強(qiáng)、高導(dǎo)的鋁導(dǎo)線(xiàn)材料，必須滿(mǎn)足所添加的合金元素在鋁中的固溶度盡可能的小，并且通過(guò)某種熱處理工藝后，合金元素能夠從基體中盡可能多的析出，形成細(xì)小、彌散分布于基體中的強(qiáng)化相。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)稀土元素在鋁合金中的作用進(jìn)行了大量研究，這些研究主要集中在Sc、Zr、Er、Yb等及其復(fù)合微合金化對(duì)鋁合金的影響，其中，以Sc的研究最為深入。在鋁合金中Sc是具有最好時(shí)效強(qiáng)化效果的微合金化元素，Al-Sc二元合金中，Sc的最大固溶度為0.23at.％，當(dāng)溫度低于450℃時(shí)，其固溶度不足0.01at.％，因此經(jīng)熱處理后，能夠大量彌散析出具有L12結(jié)構(gòu)的Al3Sc，從而使合金的強(qiáng)度升高。但由于Sc的擴(kuò)散系數(shù)較大，在高溫長(zhǎng)時(shí)間時(shí)效后Al3Sc析出相易粗化，導(dǎo)致合金的耐熱性差。并且Al-5wt％Sc的單價(jià)高達(dá)2000元/千克。昂貴的Sc的添加大大增加了鋁合金的生產(chǎn)成本，使含Sc鋁合金在工業(yè)中的應(yīng)用受到限制。研究表明，在Al-Sc二元合金中添加微量擴(kuò)散系數(shù)較小的Zr可以提高合金耐熱性，同時(shí)高濃度的Sc與Zr復(fù)合添加后可以形成細(xì)小彌散的、內(nèi)Sc外Zr具有核殼結(jié)構(gòu)的Al3(Sc，Zr)第二相，達(dá)到強(qiáng)度和耐熱性的同步提高。在工業(yè)中，Al-5wt％Zr的單價(jià)為100元/千克，價(jià)格低廉，可以廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)中。但Sc、Zr復(fù)合微合金化在應(yīng)用過(guò)程中依然存在問(wèn)題。300℃時(shí)Sc具有最好的時(shí)效強(qiáng)化效果，但擴(kuò)散系數(shù)較低的Zr元素?zé)o法完全析出而使電導(dǎo)率降低。溫度升高后Zr可以完全析出，但Sc的時(shí)效強(qiáng)化效果明顯變差，特別是Sc含量較低時(shí)，在高溫(400℃)無(wú)法彌散析出，甚至完全無(wú)時(shí)效強(qiáng)化效果。

中國(guó)專(zhuān)利CN105483455A公開(kāi)發(fā)明了一種Al-Sc-Zr-Er合金高強(qiáng)高導(dǎo)狀態(tài)的熱處理工藝，表明合金在經(jīng)過(guò)350～400℃等溫時(shí)效144小時(shí)后，硬度值可達(dá)64HV，電導(dǎo)率也能達(dá)到60％IACS，合金具有高強(qiáng)高導(dǎo)性能。CN105483455A已取得了很好的效果，但是在實(shí)際應(yīng)用中有的還需要進(jìn)一步提高硬度和導(dǎo)電率，而此時(shí)CN105483455A已不能滿(mǎn)足進(jìn)一步需要高性能的場(chǎng)合。