CN117920989A - 一种成分梯度铝基复材导线及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种成分梯度铝基复材导线及其制备方法，属于交流电环境下高性能导线技术领域，通过粉末冶金工艺，快速制备出成分梯度变化的铝合金导线，最外层为Al2O3颗粒增强纯铝，导电性能优秀，内层为碳纳米管增强铝合金，为导线提供了力学性能，在交流电使用环境下，综合性能优异，且产品生产工艺简单，质量稳定，可用于工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及交流电环境下高性能导线技术领域，具体涉及一种成分梯度铝基复材导线及其制备方法。
背景技术
铝及铝合金因低密度、高比强度、高导电、高经济性等一系列优点，被认为是优秀的导体材料，在多个领域有广泛应用。
目前高强度的铝合金导线，是用量最大的铝合金导线品种。在铝中添加镁、硅等元素，经过加工变形和热处理后获得足够的强度、塑性和导电性能，其强度较普通铝导线提高近一倍，单线强度达300MPa以上，但电导率较低，仅为～53％IACS(国际退火铜标准)，导致线路损耗大，这制约了高强度铝合金导线的进一步发展。
在金属材料中力学性能和导电性能存在此消彼长的矛盾关系，即材料强度上升通常会导致导电性能的下降，导电性能的增加会导致强度的下降。同时提升材料的强度和导电性能是困难的。
实际使用过程中交流电存在“趋肤效应”，导体内部的电流分布不均匀，电流集中在导体外表的薄层，越靠近导体表面，电流密度越大，导体内部实际上电流较小，对导体导电率贡献较小。
为了解决上述问题，现有技术中制备了外部为纯铝内部为合金的成分梯度变化的导线，采用铸造方法制备圆筒状纯铝铸锭和圆柱状铝合金铸锭，然后采用机加工设备除去圆柱状铝合金铸锭表面的金属氧化皮和圆筒状纯铝铸锭内表面的金属氧化皮，将圆筒状纯铝套在合金外部，再通过热挤压工艺，将两者结合，但是这种方法加工过程繁琐，且不同成分间结合质量较差，难以满足工程应用标准。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供了一种成分梯度铝基复材导线及其制备方法，用于制备交流电用成分梯度铝基复材导线，通过粉末冶金制备工艺，快速制备出高性能的成分梯度铝合金导线，解决了现有技术中铝合金导线在交流电环境下使用力学性能和导电性能中存在的此消彼长的矛盾关系，其综合性能优异，质量稳定，且制备工艺简单，可用于工业化生产。
本发明提供了一种成分梯度铝基复材导线及其制备方法，包括：
步骤一：分别制备纯铝粉末和铝合金粉末，将所述纯铝粉末和铝合金粉末进行预处理，获得纯铝预氧化粉末和铝合金预处理粉末；
优选的，获得纯铝预氧化粉末和铝合金预处理粉末的具体步骤包括：
使用气雾化方法制备纯铝粉末；所述纯铝粉末粒径为1～3μm，纯度高于99.7％；
将纯铝粉末放入搅拌罐中进行加热搅拌，使纯铝粉末表面充分氧化，获得纯铝预处理粉末；
使用气雾化方法制备铝合金粉末；将铝合金粉末与碳纳米管进行球磨，球磨后混合均匀，获得铝合金预处理粉末。
进一步的，所述搅拌罐内具有高纯氧气环境，所述加热的温度为200～300℃；所述搅拌速度为50～100r/min，搅拌时间为2～4h；
所述碳纳米管长度为5～15μm，管径为40～60nm，铝合金预处理粉末中碳纳米管的含量为0.3％～2％；
球磨机选用行星式球磨机，球磨工艺的球料比5：1～10：1，选用1～3mm不锈钢球，转速300～400rpm，球磨时间5～8h。
本发明技术方案在纯铝中原位生成纳米氧化物颗粒，纳米氧化物颗粒不但提高纯铝强度，还不会损害基体导电率，在合金中加入碳纳米管可大幅提高基体强度；本发明设计了两种增强相分别增强内外部基体，提升整体强度的同时，保持导线在交流电环境下的导电性能。
本发明技术方案制备的纯铝氧化粉末的外形为近球形，粉末表面充分氧化，覆盖非晶-Al2O3薄膜，在后续烧结过程中转化成Al2O3颗粒增强相，在外层的纯Al中引入纳米Al2O3颗粒增强相，其尺寸细小，在纯铝基体中定向分布，一方面增加纯铝强度，另一方面不损害纯铝的导电性能，使导线整体强度提高。
步骤二：将步骤一所述铝合金预处理粉末和纯铝预氧化粉末进行铺粉工艺处理获得成分梯度混合粉末；
设置烧结温度和时间对所述成分梯度混合粉末进行烧结，获得成分梯度烧结胚料；
优选的，步骤二所述获得成分梯度烧结胚料的具体步骤包括：
将铝合金预处理粉末进行冷压处理，获得冷压胚料；
将冷压胚料和所述纯铝预氧化粉末放入热等静压包套内进行铺粉工艺处理，获得处理后的包套；
对所述处理后的包套进行高温除气，设置真空度，对所述包套进行封焊处理；
将封焊后的包套放入热等静压炉内，设置烧结温度和时间，进行烧结；
烧结结束后，随炉冷却至开炉温度，在炉内取出封焊后的包套；
去掉封焊后的包套，得到烧结胚料。
进一步的，所述冷压处理的压力为200～300MPa，保载时间为10～20min；
进一步的，所述除气温度为200～300℃，所述真空度为0～10-2Pa；
进一步的，所述烧结温度为500～600℃，烧结时间为6～8h，所述开炉温度为0-100℃。
本发明技术方案制备的材料中包含两种金属成分和两种增强相，在热等静压铺粉过程中，通过铺粉工艺，使步骤一中所述两种粉末在烧结获得的胚料中成梯度分布，导体的外层为导电性能好的纯铝，提供了导电性能，导体的内层为强度高的铝合金主要提供强度，当导线在交流电环境下使用时，兼顾导电性能和强度。
本发明获得的烧结胚料具有梯度结构，外层为Al2O3增强的纯铝，内层为碳纳米管增强的铝合金，在烧结过程中，设置了烧结温度为500～600℃，烧结时间为6～8h，通过步骤一中金属粉末设计及步骤二的铺粉工艺，热等静压烧结出具有金属成分梯度及增强相成分梯度的复合材料，是一种增强相与金属间界面结合良好的材料，材料整体性能优异，在交流电环境下，兼顾了材料的强度和导电性，解决了材料中强度和导电性能此消彼长的矛盾关系。
步骤三：将所述成分梯度烧结胚料经过塑性变形及热处理制备成分梯度铝基复材导线。
优选的，所述塑性变形包括：热挤压、冷拉拔；
所述制备成分梯度铝基复材导线的具体步骤为：
通过热挤压工艺将成分梯度烧结胚料挤压成棒材；所述热挤压的加工温度为400～450℃；
对棒材进行固溶热处理后再进行冷拉拔，获得铝合金导线，将所述铝合金导线进行时效热处理，获得将具有不同金属成分与不同增强相种类的成分梯度铝基复材导线。
优选的，所述成分梯度铝基复材导线外层为为Al2O3增强的纯铝，内层为碳纳米管增强的铝合金；内层铝合金的直径占导线直径的40％～90％。本发明制备的成分梯度铝基复材导线，由导线芯部到表面为成分梯度变化的材料，外层为Al2O3增强的纯铝，内层为碳纳米管增强的铝合金，导线强度≥350MPa，导线外层纯铝部分电导率≥58％IACS，整体电导率≥55％IACS。
本发明采用粉末冶金工艺制备胚料，经过后续塑性变形及相应的热处理工艺，可快速制备出成分梯度变化的铝基复材导线，在交流电环境下使用，导体外部承担更多的导电功能，其外部成分为导电性能优异的纯铝，内部为高强低导铝合金，主要承担载荷，将高导低强的纯铝和高强低导的合金结合，制备出综合性能优异的导线，降低电阻的同时，兼顾了高强铝导线的强度优势。
本发明的制备工艺一方面克服了不同成分金属间的界面和增强相与基体间的界面结合情况，另一方面解决了不同成分材料在复合材料中均匀定向分布的问题。
本发明制备工艺简单，制备的材料不同成分的金属以及增强相与基体结合良好，且不同成分金属在复合材料中均匀定向分布，合金元素的种类及在铝合金导线中的梯度状态可调可控，可用于大规模机械化生产。
本发明制备的成分梯度的铝基复合导线，在交流电环境下使用，良好的控制了导线内部成分及组织，在导体外表，材料具备良好的导电性能，导体内部提供力学性能，打破了强度与导电性能的制约关系，制备出综合性能优异的铝导线。
与现有技术相比，本发明至少具有现如下有益效果：
(1)本发明使用粉末冶金工艺，直接制备出成分梯度化的铝合金烧结胚料，工艺流程简单，产品质量稳定；
(2)本发明制备的铝合金导线，最外层为Al2O3颗粒增强纯铝，导电性能优秀，内层为碳纳米管增强铝合金，为导线提供了力学性能，在交流电使用环境下，综合性能优秀；
(3)本发明的制备方法可根据实际使用需求选择合金成分，使铝导线性能可调可控。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制。
图1为本发明导线组织及交流电环境趋肤效应的示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。另外，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明的一个具体实施例，如图1，公开了一种成分梯度铝基复材导线及其制备方法，为了说明本发明所提方法的有效性，以下通过一个具体实施例对本发明的上述技术方案进行详细说明，具体实施步骤如下：
实施例1：
第一步：粉末制备及预处理
使用气雾化方法制备纯铝粉末，粉末粒径为1～3μm，纯度99.7％。然后将纯铝粉末放入不锈钢电加热搅拌罐内，在高纯氧气气氛环境下，于200℃对粉末进行搅拌，使粉末表面充分氧化；
搅拌速度为50r/min，搅拌时间为4h，得到纯铝预氧化粉末；
使用气雾化方法制备6201铝合金粉末，粉末粒径为5～10μm；然后将合金粉末与碳纳米管通过球磨混合，制备复合粉末；
碳纳米管长度5～10μm，管径40～50nm，设备使用行星式球磨机，碳纳米管质量分数占铝合金粉末0.3％；球磨工艺为球料比10：1，选用3mm不锈钢球，转速300rpm，时间6h。
第二步：烧结胚料制备
首先将第一步制备的合金粉末放入圆柱形模具中冷压成型，冷压胚料直径占热等静压包套内径的50％；冷压参数为压力200MPa，保载时间20min；
然后将冷压胚料放入热等静压包套中间位置，在包套与冷压胚料间隙处放入第一步制备的纯铝预氧化粉末；填粉完成后对包套进行高温除气，除气温度200℃，当包套内真空度小于10-2Pa时，对包套进行封焊处理；
然后将包套放入热等静压炉内，进行烧结，烧结温度为500℃，烧结时间为6h，待烧结完成后，随炉冷却到100℃以下，取出包套；
随后将包套车掉，得到烧结胚料。
第三步：热挤压、冷拉拔及热护理
通过热挤压工艺将烧结胚料挤压成棒材，热加工温度450℃，然后对棒材固溶热处理，固溶温度为500℃，时间为4h，然后冷拉拔，制备铝合金导线，随后时效热处理，时效温度为170℃，时间为8h；通过第三步制备的导线，其特点为由芯部到表面为成分梯度材料，导线整体强度为350MPa，导线外层纯铝部分电导率≥58％IACS，整体电导率57％IACS。
相较于传统方法制备的6201铝合金导线，强度由260MPa提高到350MPa，提升35％；整体电导率由54％IACS提升至57％IACS。由于外层纯铝部分电导率≥58％IACS，在交流电使用环境下，电导率更高。
实施例2：
第一步：纯铝粉制备及预氧化
使用气雾化方法制备纯铝粉末，粉末粒径为1～3μm，纯度99.9％。然后将纯铝粉末放入不锈钢电加热搅拌罐内，在高纯氧气气氛环境下，于200℃对粉末进行搅拌，使粉末表面充分氧化。搅拌速度为50r/min，搅拌时间为4h，得到纯铝预氧化粉末。
使用气雾化方法制备6201铝合金粉末，粉末粒径为5～10μm；然后将合金粉末与碳纳米管通过球磨混合，制备复合粉末，碳纳米管长度5～10μm，管径40～50nm，设备使用行星式球磨机，碳纳米管质量分数占铝合金粉末0.3％。球磨工艺为球料比10：1，选用3mm不锈钢球，转速300rpm，时间6h。
第二步：烧结胚料制备
采用热等静压工艺制备烧结胚料。首先将第一步制备的合金粉末放入圆柱形模具中冷压成型，冷压胚料直径占热等静压包套内径的80％。冷压参数为压力200MPa，保载时间20min。然后将冷压胚放入热等静压包套中间位置，在包套与冷压胚料间隙处放入第一步制备的纯铝预氧化粉末。填粉完成后对包套进行高温除气，除气温度200℃，当包套内真空度小于10-2Pa时，对包套进行封焊处理。然后将包套放入热等静压炉内，进行烧结，烧结温度为500℃，烧结时间为6h，待烧结完成后，随炉冷却到100℃以下，取出包套。随后将包套车掉，得到烧结胚料。
第三步：热挤压、冷拉拔及热护理
通过热挤压工艺将烧结胚料挤压成棒材，热加工温度450℃，然后对棒材固溶热处理，固溶温度为500℃，时间为4h，然后冷拉拔，制备导线，随后时效热处理，时效温度为170℃，时间为8h。通过第三步制备的导线，其特点为由芯部到表面为成分梯度材料，导线整体强度为400MPa，导线外层纯铝部分电导率≥59％IACS，整体电导率55％IACS。相较于传统方法制备的6201铝合金导线，强度由260MPa提高到400MPa，提升54％；整体电导率由54％IACS提升至55％IACS。由于外层纯铝部分电导率≥59％IACS，在交流电使用环境下，电导率更高。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种成分梯度铝基复材导线制备方法，其特征在于，包括：
步骤一：分别制备纯铝粉末和铝合金粉末，将所述纯铝粉末和铝合金粉末进行预处理，获得纯铝预氧化粉末和铝合金预处理粉末；
步骤二：将步骤一所述铝合金预处理粉末和纯铝预氧化粉末进行铺粉工艺处理获得成分梯度混合粉末；
设置烧结温度和时间对所述成分梯度混合粉末进行烧结，获得成分梯度烧结胚料；
步骤三：将所述成分梯度烧结胚料经过塑性处理制备成分梯度铝基复材导线。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，获得所述纯铝预氧化粉末和铝合金预处理粉末的具体步骤包括：
使用气雾化方法制备纯铝粉末和铝合金粉末；
将纯铝粉末放入搅拌罐中进行加热搅拌，获得纯铝预处理粉末；
将铝合金粉末与碳纳米管进行球磨，获得铝合金预处理粉末。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述纯铝粉末粒径为1～3μm，纯度高于99.7％。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述铝合金预处理粉末中碳纳米管的含量为0.3％～2％。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述获得成分梯度烧结胚料的具体步骤包括：
将铝合金预处理粉末进行冷压处理，获得冷压胚料；
将冷压胚料和所述纯铝预氧化粉末放入热等静压包套内进行铺粉工艺处理，获得处理后的包套；
对所述处理后的包套进行高温除气，设置真空度，对所述包套进行封焊处理；
将封焊后的包套放入热等静压炉内，设置烧结温度和时间，进行烧结；
烧结结束后，随炉冷却至开炉温度，在炉内取出封焊后的包套；
去掉封焊后的包套，得到烧结胚料。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述铺粉工艺具体包括：
将所述铝合金预处理粉末进行冷压形成胚料，然后放置在热等静压包套的中间位置；所述冷压胚料的高度与热等静压包套的高度相等，所述冷压胚料直径占包套内径的50～80％，在热等静压包套剩余空隙处铺入纯铝预氧化粉末。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述烧结温度为500～600℃，烧结时间为6～8h。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制备铝合金导线的具体步骤为：
通过热挤压工艺将成分梯度烧结胚料挤压成棒材；
对棒材进行固溶热处理后再进行冷拉拔，获得铝合金导线，将所述铝合金导线进行时效热处理，获得不同金属成分与不同增强相种类的成分梯度铝基复材导线。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述成分梯度铝基复材导线外层为增强的纯铝，内层为碳纳米管增强的铝合金；
所述成分梯度铝基复材导线内层的直径与成分梯度铝基复材导线的直径比例关系是：0.4-0.9:1。
10.一种成分梯度铝基复材导线，其特征在于，所述成分梯度铝基复材导线采用权利要求1-9中任一项所述的制备方法制备得到。
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2024
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