高強(qiáng)、高導(dǎo)耐熱鋁合金導(dǎo)體材料研究現(xiàn)狀及展望

葉亞飛，王 征，孫嘯飛，嚴(yán) 鵬

（1.北京航空航天大學(xué)云南創(chuàng)新研究院，云南 昆明 650051；2.云南云鋁澤鑫鋁業(yè)有限公司，云南 曲靖 655500）

0 引言

進(jìn)入21 世紀(jì)后，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展電力需求急劇增加，因此開展相關(guān)研究促進(jìn)輸電效率提高和輸電損耗降低等變得越來越迫切和必要。鋁合金材料，具有較好的導(dǎo)電性、成型性以及相對(duì)低廉的價(jià)格，在電力電纜的應(yīng)用中廣泛替代銅[1]。使用鋁合金作為架空輸電線已經(jīng)成為電能輸送的重要趨勢和主要載體，其應(yīng)用已超過百年。自20 世紀(jì)50 年代末，日本首先研制成功普通耐熱鋁合金導(dǎo)線并在輸電線路中得到大量使用，引起了世界各國的廣泛關(guān)注[2]；進(jìn)入20 世紀(jì)末，日本、美國、加拿大等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)廣泛使用耐熱鋁合金導(dǎo)線[3，4]。直到20 世紀(jì)60 年代初期，我國才組織相關(guān)力量開始開展耐熱鋁合金導(dǎo)線的相關(guān)研究；2007 年，60%IACS 鋼芯耐熱鋁合金導(dǎo)線通過成果鑒定后轉(zhuǎn)為批量生產(chǎn)[5，6]。耐熱鋁合金導(dǎo)線具有低弧垂、增容等特性，使用其進(jìn)行線路改造時(shí)可在少更換或不更換桿塔的前提下，提高運(yùn)行溫度到120℃以上，提高載流量40% 以上；尤其適合大容量輸電線路的新建和居民密集區(qū)老舊線路增容改造[7，8]。但是，我國當(dāng)前主要使用的架空輸電線路仍主要是傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線，耐熱能力較為有限，線路的輸電容量也會(huì)受到限制。毋庸置疑，對(duì)耐熱鋁合金導(dǎo)體材料及導(dǎo)線開展研究并加以推廣應(yīng)用具有顯著的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益[9]。

耐熱鋁合金導(dǎo)體材料經(jīng)過熔煉、軋制、拉拔等工序處理后制得耐熱鋁合金導(dǎo)線，承擔(dān)大容量電能的傳輸任務(wù)，因此耐熱鋁合金導(dǎo)體材料性能的好壞直接決定著最終導(dǎo)線的導(dǎo)電性能和力學(xué)性能[10]。文章對(duì)耐熱鋁合金國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀簡要回顧，從耐熱機(jī)制、影響因素及應(yīng)用進(jìn)展等方面對(duì)耐熱鋁合金材料及導(dǎo)線展開論述，并對(duì)未來耐熱鋁合金導(dǎo)體材料的發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

1 國內(nèi)外耐熱導(dǎo)電鋁合金發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外使用的耐熱導(dǎo)電鋁合金大多為Al-Zr 合金，按照導(dǎo)電率分為55%、58% 和60%等檔次[11]。美國科學(xué)家Herrington 于1949 年研究發(fā)現(xiàn)微量鋯可以提高鋁合金耐熱性能[12]，且對(duì)導(dǎo)電率的影響可以控制在最小范圍內(nèi)。日本線纜企業(yè)首先對(duì)該發(fā)現(xiàn)進(jìn)行了關(guān)注，在此基礎(chǔ)上對(duì)合金元素影響純鋁的導(dǎo)電性與力學(xué)性能進(jìn)行深入研究，并在20 世紀(jì)60 年代開發(fā)出一種含鋯的鋁合金增容導(dǎo)線，導(dǎo)電率達(dá)到58%IACS[13，14]，實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行溫度和短時(shí)容許溫度分別為150℃和180℃，在變電站母線和線路增容中改造應(yīng)用。20 世紀(jì)70年代初期，60%IACS 耐熱鋁合金導(dǎo)線被研制出來并應(yīng)用于特殊要求的輸電線路上；直到20 世紀(jì)90年代開始大量推廣與應(yīng)用[15]。隨后，日本通過改進(jìn)工藝進(jìn)一步提高耐熱鋁合金導(dǎo)線的導(dǎo)電率，最終通過采用99.86% 以上高純工業(yè)鋁錠，在復(fù)雜嚴(yán)苛的工藝條件下實(shí)現(xiàn)了61%IACS 導(dǎo)電率耐熱鋁合金單絲的制備，但由于制備成本高、工藝要求復(fù)雜，導(dǎo)致相關(guān)研究成果一直停留在實(shí)驗(yàn)室階段。與此同時(shí)，美國、加拿大在對(duì)耐熱鋁合金材料進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上相繼開發(fā)出具有特色的鋼芯軟鋁絞線[3]，并在70% 以上輸電線路中廣泛應(yīng)用耐熱鋁合金導(dǎo)線。法國、德國、瑞士等發(fā)達(dá)國家也非常重視耐熱導(dǎo)電鋁合金材料的開發(fā)，將其率先應(yīng)用于高壓輸電線路。近幾年，隨著南亞、東南亞地區(qū)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，帶來耐熱鋁合金導(dǎo)線在不同領(lǐng)域應(yīng)用的快速增長[4]。

1980 年左右，上海電纜所與武漢電纜廠對(duì)58TACSR 耐熱鋁合金進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)，成功研制出此類產(chǎn)品并打破依賴進(jìn)口的局面[16]；直至2003年，我國已有10 余家電纜廠研制出58TACSR（鋼芯耐熱鋁合金絞線），實(shí)現(xiàn)耐熱溫度超過150℃，在上海南橋、北京安定、浙江瓶窯等幾十所變電站推廣應(yīng)用，使用量突破2 600t，主要應(yīng)用場景為短距離的市區(qū)輸電線路增容改造工程。隨著我國城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，與之相應(yīng)的電力需求急劇增加，對(duì)原有老城區(qū)的線網(wǎng)改造增容則顯得極為迫切，導(dǎo)電率超過60TACSR 的耐熱鋁合金導(dǎo)線也進(jìn)入定型生產(chǎn)[11,17]。上海電纜研究所、杭州電纜有限公司、青島漢纜集團(tuán)有限公司、上海中天鋁線有限公司、遠(yuǎn)東電纜有限公司等紛紛推出60TACSR 鋼芯耐熱鋁合金絞線，在許多重要線路中得到應(yīng)用，產(chǎn)品已經(jīng)能媲美國外產(chǎn)品。目前，我國耐熱鋁合金導(dǎo)線市場格局處于58TAL（普通耐熱鋁合金導(dǎo)線）和60TAL（高導(dǎo)電耐熱鋁合金導(dǎo)線）生產(chǎn)并存階段，為了進(jìn)一步降低線路損耗，國家電網(wǎng)等單位已經(jīng)開展61%IACS 的耐熱鋁合金線的研制[2]，未來將因其具有低能耗、低孤垂特性而受到廣泛青睞。

2 導(dǎo)電鋁合金耐熱機(jī)制分析

耐熱導(dǎo)電鋁合金是一種高強(qiáng)度、高耐熱性和高導(dǎo)電率三者性能協(xié)調(diào)的合金材料，而這三者性能的協(xié)同提高已經(jīng)成為業(yè)界研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。金屬材料導(dǎo)電性能與其內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)與組織密切相關(guān)，熱振動(dòng)、溶質(zhì)原子和晶體缺陷等組織特征都會(huì)顯著影響內(nèi)部電子散射，從而影響材料最終導(dǎo)電率大小[18]。但是，合金材料強(qiáng)度與導(dǎo)電率卻相互矛盾，提高合金強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)電率下降，提高導(dǎo)電率則會(huì)損失合金強(qiáng)度[19,20]。因此，開發(fā)耐熱高導(dǎo)電鋁合金材料需要在添加很少量合金元素的前提條件下析出大量均勻的彌散相，且析出的強(qiáng)化相具有良好的熱穩(wěn)定性。耐熱鋁合金，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，形成了眾多牌號(hào)，但總體均屬于Al-Zr 系列合金。Zr 元素的添加，可以提高再結(jié)晶溫度[21]，提高抗蠕變性能[22]，以及細(xì)化晶粒并提高力學(xué)性能[23]，但會(huì)降低導(dǎo)電性能。

2.1 合金元素對(duì)耐熱性能影響

微合金化技術(shù)是研究與制備高導(dǎo)電鋁合金的重要技術(shù)手段，能夠充分挖掘合金材料潛力，實(shí)現(xiàn)合金性能的明顯改善。

Zr，是當(dāng)前開發(fā)熱穩(wěn)定析出相增強(qiáng)鋁合金的最重要的微合金化元素之一[24]。在Al-Zr 合金凝固過程中，析出的相是一種高熔點(diǎn)物質(zhì)，在一定溫度下是穩(wěn)定的[25]。在鋁合金基體中，Zr 的存在形式大致分為四類：置換固溶體、粗大初生相、亞穩(wěn)相、平衡相。屬于高溫穩(wěn)定相，一是因?yàn)閆r 在鋁中低的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)，二是析出相與鋁基體晶格參數(shù)錯(cuò)配度低[26]。析出相最高的穩(wěn)定保持溫度為475℃，超過475℃后其發(fā)生粗化并轉(zhuǎn)化為其平衡相D023 結(jié)構(gòu)[27]。但是，添加Zr 以后，Al 晶體中點(diǎn)陣發(fā)生明顯畸變，導(dǎo)致電子散射增加，最終降低合金材料導(dǎo)電性。

Er，屬于鑭系稀土元素中的一種，也是鋁合金進(jìn)行微合金化的元素之一，其與稀土元素Sc 具有相近的細(xì)化晶粒、提高抗拉強(qiáng)度的效果[28]。聶作仁[29]等通過對(duì)使用Er 作為微合金化的鋁合金進(jìn)行研究后得出，微量Er 能夠細(xì)化鋁合金晶粒，對(duì)鋁的強(qiáng)度也有所提高，但對(duì)材料伸長率影響不大。同時(shí)，Er 還可以顯著的抑制合金再結(jié)晶過程的發(fā)生，至少促使其再結(jié)晶溫度提高50℃以上，從而最終實(shí)現(xiàn)其高溫性能的明顯改善[30]。

2.2 均質(zhì)化工藝對(duì)耐熱性能的影響

合金鑄錠的均質(zhì)化對(duì)于合金材料最終性能至關(guān)重要。對(duì)于耐熱導(dǎo)電鋁合金，Zr 的加入使得合金中分布有一定數(shù)量的第二相粒子，主要為高溫強(qiáng)化粒子，可以阻礙晶內(nèi)滑移和晶界滑移，從而提高合金蠕變抗力和阻礙蠕變裂紋擴(kuò)展。當(dāng)Zr 以中間相形式存在，不是以固溶態(tài)存在時(shí)，合金材料導(dǎo)電率不會(huì)明顯下降[31]，因此如何實(shí)現(xiàn)粒子盡可能細(xì)小且分布均勻，對(duì)于導(dǎo)電鋁合金材料的耐熱性能至關(guān)重要。在Al-Zr 二元合金相圖中，Zr 在Al 中的最大固溶度為0.28%，而當(dāng)溫度降低到500℃，固溶度只有0.05%[32]，多余的鋯則以金屬間化合物的形式析出，所以時(shí)效處理對(duì)于鋁鋯合金的強(qiáng)化非常適合[33]。Kumar, Chink等人[34,35]提出了空位與溶質(zhì)原子作用析出沉淀相的觀點(diǎn)：認(rèn)為的形核與空位有關(guān)，在固溶過程中形成了大量的空位，而固溶處理后快速冷卻會(huì)使空位凍結(jié)；因此在時(shí)效過程中，這些凍結(jié)的空位釋放保證合金析出相具有很高的形核率，從而使得合金中呈彌散狀分布。

3 耐熱導(dǎo)電鋁合金制備工藝難點(diǎn)

耐熱鋁合金導(dǎo)體材料的研究與開發(fā)受多因素控制，對(duì)此需要綜合考慮，尤其是需要平衡力學(xué)性能、導(dǎo)電性能以及耐熱性能三者之間的關(guān)系。

3.1 合金元素協(xié)同性

對(duì)于耐熱導(dǎo)電鋁合金設(shè)計(jì)，微合金化的元素包括稀土元素、硼（B）、鋯（Zr）。目前，耐熱導(dǎo)電鋁合金中常用的稀土元素包括鉺（Er）、釔（Y）、鑭（La）、鈰（Ce）。稀土元素對(duì)于導(dǎo)電鋁的作用[36]主要是改變雜質(zhì)元素鐵、硅分布規(guī)律，促進(jìn)雜質(zhì)硅從固溶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槲龀鰬B(tài)；細(xì)化合金二次枝晶組織，減小共晶化合物尺寸等。硼對(duì)鋁導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大影響，硼的加入會(huì)與Ti、V、Cr、Mn等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成硼化物析出鋁基體，通過該效應(yīng)減少對(duì)電子散射的影響，從而提高其導(dǎo)電率[37,38]。Zr 是耐熱鋁合金中最重要的微合金化元素，在鋁中添加Zr 時(shí)導(dǎo)電性損失不大，耐熱性卻明顯提高，但是隨著Zr 含量增加導(dǎo)電性卻快速下降。對(duì)于高強(qiáng)耐熱導(dǎo)電鋁合金要同時(shí)具備導(dǎo)電性、力學(xué)性能和耐熱性，不同的合金元素對(duì)三者性能的影響相互對(duì)立，因此如何通過設(shè)計(jì)導(dǎo)電鋁合金材料合金配方配比來實(shí)現(xiàn)三者性能的協(xié)同提高成為高強(qiáng)耐熱導(dǎo)電鋁合金制備的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

3.2 制備工藝匹配性

鋁合金導(dǎo)體材料的微觀結(jié)構(gòu)是調(diào)控其綜合性能的重要方式，開發(fā)出與導(dǎo)體材料合金成分相匹配的加工工藝對(duì)實(shí)現(xiàn)其高強(qiáng)、高導(dǎo)、耐熱性能至關(guān)重要。導(dǎo)電鋁合金屬于變形鋁合金材料范疇，其塑形變形過程會(huì)對(duì)材料的第二相大小、形態(tài)及分布產(chǎn)生變化從而影響材料導(dǎo)電性能。目前，導(dǎo)電鋁合金鋁桿常用的生產(chǎn)工藝為連鑄連軋工藝，涉及澆鑄溫度、鑄軋道次、軋制溫度與速度都是影響最終鋁桿的關(guān)鍵控制參數(shù)，對(duì)于其導(dǎo)電性與力學(xué)性能影響明顯[39]。導(dǎo)體鋁桿經(jīng)過冷變形后的退火處理對(duì)導(dǎo)線單絲導(dǎo)電性影響也是非常明顯，回復(fù)、再結(jié)晶、晶粒長大等3 個(gè)階段常見于退火過程中，每個(gè)階段對(duì)于材料電導(dǎo)率的影響也是各不相同，所以為了使冷拔后的鋁合金導(dǎo)體單絲實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)、高導(dǎo)及耐熱，需要制定合適的退火溫度與時(shí)間。另外，高潔凈度的鋁合金熔體是獲得性能優(yōu)良鋁合金導(dǎo)體材料的關(guān)鍵，按照凈化原理可以分為吸附、非吸附和復(fù)合凈化三大類[40]。鋁合金吸附凈化是指使用特定吸附劑以后，促使熔體中氣態(tài)與固態(tài)雜質(zhì)直接結(jié)合，達(dá)到對(duì)熔體凈化的效果。非吸附凈化法指通過超聲、抽真空、密度差等物理作用，使氣、固態(tài)雜質(zhì)從熔體中分離凈化的方法。復(fù)合凈化法是以超聲波凈化為基礎(chǔ)與其他方法相結(jié)合的復(fù)合凈化技術(shù)。目前，對(duì)于電工鋁桿，非吸附凈化法能夠起到顯著的凈化作用，還能細(xì)化晶粒，但存在設(shè)備復(fù)雜、處理能力有限等問題；而復(fù)合凈化法則廣泛應(yīng)用于鋁桿的連鑄連軋生產(chǎn)，在除氫、大尺寸雜質(zhì)方面取得了較好效果[41]。總之，對(duì)于鋁合金導(dǎo)體材料的加工制備工藝，方案、參數(shù)的選擇與優(yōu)化對(duì)于最終鋁桿的性能影響明顯，為了達(dá)到高強(qiáng)、耐熱、高導(dǎo)等3個(gè)方面性能協(xié)同提升，根據(jù)原材料品質(zhì)、合金成分及性能要求來設(shè)計(jì)與優(yōu)化制備方案也是高強(qiáng)高導(dǎo)耐熱鋁合金導(dǎo)線制備的關(guān)鍵與難點(diǎn)。

4 結(jié)束語

高強(qiáng)耐熱高導(dǎo)電鋁合金作為一種新型導(dǎo)體材料，隨著未來電網(wǎng)擴(kuò)容改造，遠(yuǎn)距離、大容量輸電需求的增長必將迎來巨大發(fā)展。目前，世界各國均投入大量人力和物力對(duì)高強(qiáng)耐熱高導(dǎo)電鋁合金進(jìn)行研究，主要以Al-Zr 合金系列合金為主，而我國已經(jīng)形成了2 個(gè)系列的耐熱鋁合金產(chǎn)品并實(shí)現(xiàn)推廣應(yīng)用。未來，隨著61%IACS 耐熱鋁合金導(dǎo)體材料需求的進(jìn)一步明確，微合金化技術(shù)與制備工藝匹配優(yōu)化將成為耐熱鋁合金導(dǎo)體材料研究的重點(diǎn)和關(guān)鍵。