[发明专利]一种高性价比高强高导的Al-Sc-Zr-Yb合金及其热处理工艺

说明书

一种高性价比高强高导的Al‑Sc‑Zr‑Yb合金及其热处理工艺，属于合金技术领域。合金为在在铝基体中加入了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。该合金的热处理工艺首先在640±10℃下固溶处理40～50小时，水淬至室温，然后在350～400℃之间进行96～144h的等温时效。本发明由于采用了Sc、Zr、Yb的复合微合金化，合金不仅同时具备显著的时效强化效果和良好的导电性，而且在取得相同硬度值的情况下，相较于Al‑Sc‑Zr合金，Al‑Sc‑Zr‑Yb合金的价格可降低30元/千克，具有高性价比。

技术领域

本发明属于合金材料技术领域，具体涉及到一种经过复合微合金化的铝合金材料及其热处理工艺。

技术背景

随着我国经济的持续高速发展，对于电力这一重要能源的需求不断攀升。作为导线材料，铝及其合金不仅具有优良的导电导热性，良好的加工性，而且价格低廉，因此受到越来越广泛的关注。

导线材料除了要有良好的导电率外还应具有一定的强度以支持自身的质量及外来的自然载重(风荷载冰荷载等)。在材料学领域，提高铝合金强度的方法有细晶强化、形变强化、固溶强化和弥散强化四种方式。用不同的方法强化材料的同时，会对材料的导电性产生一定的影响。研究表明，当金属发生冷塑性变形后强度、硬度升高，导电性会略有降低；当晶粒细化后，由于晶粒减小，晶界面积增多，晶界对电子的散射作用增强，也会使材料导电性略有降低。总之，细晶强化和形变强化对材料的导电性有一定的影响，但影响程度较小。当铝中杂质或合金元素处于固溶态时，对铝的导电性有非常强烈的影响，而当其处于析出态时，对导电性的影响仅是固溶态的几分之一到几十分之一，因此，固溶强化这种方式可以提高强度但却使导电性大大降低，不符合导线的导电性需求。综上所述，要得到同时具备高强、高导的铝导线材料，必须满足所添加的合金元素在铝中的固溶度尽可能的小，并且通过某种热处理工艺后，合金元素能够从基体中尽可能多的析出，形成细小、弥散分布于基体中的强化相。

近年来，国内外学者对稀土元素在铝合金中的作用进行了大量研究，这些研究主要集中在Sc、Zr、Er、Yb等及其复合微合金化对铝合金的影响，其中，以Sc的研究最为深入。在铝合金中Sc是具有最好时效强化效果的微合金化元素，Al-Sc二元合金中，Sc的最大固溶度为0.23at.％，当温度低于450℃时，其固溶度不足0.01at.％，因此经热处理后，能够大量弥散析出具有L12结构的Al3Sc，从而使合金的强度升高。但由于Sc的扩散系数较大，在高温长时间时效后Al3Sc析出相易粗化，导致合金的耐热性差。并且Al-5wt％Sc的单价高达2000元/千克。昂贵的Sc的添加大大增加了铝合金的生产成本，使含Sc铝合金在工业中的应用受到限制。研究表明，在Al-Sc二元合金中添加微量扩散系数较小的Zr可以提高合金耐热性，同时高浓度的Sc与Zr复合添加后可以形成细小弥散的、内Sc外Zr具有核壳结构的Al3(Sc，Zr)第二相，达到强度和耐热性的同步提高。在工业中，Al-5wt％Zr的单价为100元/千克，价格低廉，可以广泛用于工业生产中。但Sc、Zr复合微合金化在应用过程中依然存在问题。300℃时Sc具有最好的时效强化效果，但扩散系数较低的Zr元素无法完全析出而使电导率降低。温度升高后Zr可以完全析出，但Sc的时效强化效果明显变差，特别是Sc含量较低时，在高温(400℃)无法弥散析出，甚至完全无时效强化效果。

中国专利CN105483455A公开发明了一种Al-Sc-Zr-Er合金高强高导状态的热处理工艺，表明合金在经过350～400℃等温时效144小时后，硬度值可达64HV，电导率也能达到60％IACS，合金具有高强高导性能。CN105483455A已取得了很好的效果，但是在实际应用中有的还需要进一步提高硬度和导电率，而此时CN105483455A已不能满足进一步需要高性能的场合。