CN112620387B - 基于高模量铝合金的特高压阀厅接地开关用导电管的制备方法 - Google Patents

基于高模量铝合金的特高压阀厅接地开关用导电管的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于高模量铝合金的特高压阀厅接地开关用导电管的制备方法，该方法将铝合金粉末与纳米增强相材料的粉末混合，添加缓冲剂，并通过高能球磨制备得到铝基复合材料颗粒；将铝基复合材料颗粒加入到熔融状态的铝液中，铝基复合材料颗粒在铝液中的分散，然后浇铸成高模量铝合金棒；通过热挤压的方式进行挤压成圆管，经风冷、矫直和表面钝化处理后获得特高压阀厅接地开关用导电管。本发明制备方法快捷，可适用于复合材料的大批量制备，加上纳米强化相对晶界的钉扎，可以使材料基体的晶粒尺寸保持在纳米级别，大幅提高铝合金的弹性模量，使得该发明制备得到的高模量铝合金导电管可应用于特高压阀厅接地开关，实现接地开关结构优化。

Description

基于高模量铝合金的特高压阀厅接地开关用导电管的制备 方法
技术领域
本发明涉及金属基纳米复合材料领域，具体涉及一种基于高模量铝合金的特高压阀厅接地开关用导电管的制备方法。
背景技术
目前特高压工程阀厅接地开关刀杆用的材料主要为6005铝合金，6005属Al-Mg-Si系可热处理强化的铝合金，Mg2Si质量分数一般为0.8％-1.2％，该类合金固溶处理温度高，淬火敏感性低，具有非常好的挤压性，可以在挤压机上实现在线淬火，但冲击和抗拉强度中等。普通铝合金较低的弹性模量和硬度使其难以满足于特高压开关应用，±800kV及以上特高压用接地开关的跨距长度达到15m，远远超过普通电压等级开关长度，需通过加大导电管的截面积、增加分段和支撑数量来提高开关设备的整体抗弯性能，减小操作杆的挠度值，但也导致了设备复杂度增加，制造成本上升。因此，从导电管所用的铝合金材料出发，提升用于特高压接地开关的铝合金材料模量，是解决导电管弯曲变形的最佳方案。
传统的合金化手段可以提高铝合金的机械性能，但对铝合金的弹性模量提升效果甚微，已有研究表明，在铝合金基体中复合入纤维、晶须短纤维、颗粒等增强，可以显著提升材料的强度、弹性模量、尺寸稳定性等，且可以通过调整增强体颗粒的体积分数和形状尺寸、材料的制备和热处理工艺等来实现其功能和性能的可设计性。
目前，金属基复合材料的制备工艺主要有粉末冶金、原位自生法、喷射成形法。粉末冶金工艺制备得到的金属基复合材料强度高，但塑性较差，不利于后续成型，同时受工艺流程与设备限制，制备成本较高，也无法进行大批量、大体积生产，制备得到的复合材料无法进行大规格尺寸的接地开关导电管成型。原位自生加挤压铸造的方法虽然可以保证强化相颗粒与基体的润湿性，且尺寸细小、分布均匀，同时压力下消除组织缺陷。但是很难获得超细结构的基体组织，难以在性能上有所突破。
发明内容
本发明针对现有的粉末冶金制备颗粒增强金属基复合材料的高能耗、成本高、后续成型难、难以大体积制备的问题；提供了一种基于高模量铝合金的特高压阀厅接地开关用导电管的制备方法，该方法首先通过高能球磨工艺实现铝合金基体与纳米增强颗粒的混合，然后采用搅拌铸造工艺将球磨得到的混合颗粒加入到熔融的铝液当中，经机械搅拌和电磁搅拌实现纳米增强颗粒在熔融铝液中的均匀分散后，浇铸成高模量铝合金棒，最后通过热挤压工艺完成高模量铝合金导电管成型。相对于传统的铝基复合材料，该方法制备的材料有更优越的弹性模量。另外，该技术设备简单，相比于传统方法简化了工序，降低制造成本，适用于工业大规模的制备。
为实现上述目的，本发明所设计一种基于高模量铝合金的特高压阀厅接地开关用导电管的制备方法，包括以下步骤：
1)将铝合金粉末与纳米增强相材料的粉末混合得到复合材料，向复合材料中添加缓冲剂，并通过高能球磨制备得到铝基复合材料颗粒；
2)将铝基复合材料颗粒加入到熔融状态的铝液中，通过机械搅拌和电磁搅拌的方式实现铝基复合材料颗粒在铝液中的分散，然后浇铸成高模量铝合金棒；
3)将所述高模量铝合金棒通过热挤压的方式进行挤压成圆管，经风冷、矫直和表面钝化处理后获得特高压阀厅接地开关用导电管(通过矫直机进行矫直，随后进行表面钝化处理，提高导电管表面的耐腐蚀性能和美观性)。
进一步地，所述步骤1)中，纳米增强相材料的重量占复合材料总重量的0.1～10％；纳米增强相材料为SiC纳米颗粒或者碳纳米管CNTs。
再进一步地，所述SiC纳米颗粒的尺寸为1-100nm，碳纳米管CNTs的管径为40～500nm，长度为1μm～200μm
再进一步地，所述步骤1)中，缓冲剂为硬脂酸，缓冲剂的添加量为复合材料总重量的0.1～5％，高能球磨的时间为1～20h，球料比为10:1。
再进一步地，所述步骤2)中，熔融状态的铝液的温度为680～900℃，搅拌时间为0.5～2h。
再进一步地，所述步骤2)中，浇铸温度为700～900℃，浇铸模具预热温度为200～400℃。
再进一步地，所述步骤3)中，热挤压过程如下：
高模量铝合金棒放置在温度为400～600℃的马弗炉中保温2h，然后迅速转移到450℃的挤压设备模具中，进行热挤压，挤压比为5～30。
再进一步地，所述步骤3)中，导电管为圆管。
本发明的有益效果：
本发明制备方法快捷，可适用于复合材料的大批量制备，加上纳米强化相对晶界的钉扎，可以使材料基体的晶粒尺寸保持在纳米级别，大幅提高铝合金的弹性模量，使得该发明制备得到的高模量铝合金导电管可应用于特高压阀厅接地开关，实现接地开关结构优化；另外，该技术设备简单，大批量制备可大幅降低制造成本，适用于工业化大规模制备。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述，以便本领域技术人员理解。
实施例1
基于高模量铝合金的特高压阀厅接地开关用导电管1的制备方法，包括以下步骤：
1)将6005铝合金粉末与纳米SiC颗粒混合得到复合材料，向复合材料中添加硬脂酸，在转速为400rpm条件下高能球磨2h，获得SiC增强铝基复合材料颗粒，其中，SiC纳米颗粒质量占复合材料总重量的3％，硬脂酸添加量为复合材料总重量的0.5％，球料比为10:1；
2)将SiC增强铝基复合材料颗粒加入到熔融状态的6005铝液(铝液温度为700℃)中，经机械搅拌和电磁搅拌分散后倒入预热温度为300℃的模具浇铸成铝合金棒；浇铸制得的高模量铝合金棒放置到马弗炉中500℃保温2h；
3)然后迅速转移到450℃的挤压设备模具中，按挤压比为20:1进行热挤压，挤压得到的高模量铝合金导电管经风冷后矫直，随后对导电管表面进行钝化处理，最终得到高模量铝合金导电管1。
实施例2
基于高模量铝合金的特高压阀厅接地开关用导电管2的制备方法，包括以下步骤：
1)将6005铝合金粉末与纳米SiC颗粒混合得到复合材料，向复合材料中添加硬脂酸，在转速为400rpm条件下高能球磨2h，获得SiC增强铝基复合材料颗粒，其中，SiC纳米颗粒质量占复合材料总重量的4％，硬脂酸添加量为复合材料总重量的0.5％，球料比为10:1；
2)将SiC增强铝基复合材料颗粒加入到熔融状态的6005铝液(铝液温度为700℃)中，经机械搅拌和电磁搅拌分散后倒入预热温度为300℃的模具浇铸成铝合金棒；浇铸制得的高模量铝合金棒放置到马弗炉中500℃保温2h；
3)然后迅速转移到450℃的挤压设备模具中，按挤压比为20:1进行热挤压，挤压得到的高模量铝合金导电管经风冷后矫直，随后对导电管表面进行钝化处理，最终得到高模量铝合金导电管2。
实施例3
基于高模量铝合金的特高压阀厅接地开关用导电管3的制备方法，包括以下步骤：
1)将6005铝合金粉末与纳米SiC颗粒混合得到复合材料，向复合材料中添加硬脂酸，在转速为400rpm条件下高能球磨2h，获得SiC增强铝基复合材料颗粒，其中，SiC纳米颗粒质量占复合材料总重量的5％，硬脂酸添加量为复合材料总重量的0.5％，球料比为10:1；
2)将SiC增强铝基复合材料颗粒加入到熔融状态的6005铝液(铝液温度为700℃)中，经机械搅拌和电磁搅拌分散后倒入预热温度为300℃的模具浇铸成铝合金棒；浇铸制得的高模量铝合金棒放置到马弗炉中500℃保温2h；
3)然后迅速转移到450℃的挤压设备模具中，按挤压比为20:1进行热挤压，挤压得到的高模量铝合金导电管经风冷后矫直，随后对导电管表面进行钝化处理，最终得到高模量铝合金导电管3。
实施例4
基于高模量铝合金的特高压阀厅接地开关用导电管4的制备方法，包括以下步骤：
1)将6005铝合金粉末与纳米SiC颗粒混合得到复合材料，向复合材料中添加硬脂酸，在转速为400rpm条件下高能球磨3h，获得SiC增强铝基复合材料颗粒，其中，SiC纳米颗粒质量占复合材料总重量的5％，硬脂酸添加量为复合材料总重量的0.5％，球料比为10:1；
2)将SiC增强铝基复合材料颗粒加入到熔融状态的6005铝液(铝液温度为700℃)中，经机械搅拌和电磁搅拌分散后倒入预热温度为300℃的模具浇铸成铝合金棒；浇铸制得的高模量铝合金棒放置到马弗炉中500℃保温2h；
3)然后迅速转移到450℃的挤压设备模具中，按挤压比为20:1进行热挤压，挤压得到的高模量铝合金导电管经风冷后矫直，随后对导电管表面进行钝化处理，最终得到高模量铝合金导电管4。
实施例5
基于高模量铝合金的特高压阀厅接地开关用导电管5的制备方法，包括以下步骤：
1)将6005铝合金粉末与纳米SiC颗粒混合得到复合材料，向复合材料中添加硬脂酸，在转速为400rpm条件下高能球磨4h，获得SiC增强铝基复合材料颗粒，其中，SiC纳米颗粒质量占复合材料总重量的5％，硬脂酸添加量为复合材料总重量的0.5％，球料比为10:1；
2)将SiC增强铝基复合材料颗粒加入到熔融状态的6005铝液(铝液温度为700℃)中，经机械搅拌和电磁搅拌分散后倒入预热温度为300℃的模具浇铸成铝合金棒；浇铸制得的高模量铝合金棒放置到马弗炉中500℃保温2h；
3)然后迅速转移到450℃的挤压设备模具中，按挤压比为20:1进行热挤压，挤压得到的高模量铝合金导电管经风冷后矫直，随后对导电管表面进行钝化处理，最终得到高模量铝合金导电管5。
实施例6
基于高模量铝合金的特高压阀厅接地开关用导电管6的制备方法，包括以下步骤：
1)将6005铝合金粉末与纳米SiC颗粒混合得到复合材料，向复合材料中添加硬脂酸，在转速为400rpm条件下高能球磨5h，获得SiC增强铝基复合材料颗粒，其中，SiC纳米颗粒质量占复合材料总重量的5％，硬脂酸添加量为复合材料总重量的0.5％，球料比为10:1；
2)将SiC增强铝基复合材料颗粒加入到熔融状态的6005铝液(铝液温度为700℃)中，经机械搅拌和电磁搅拌分散后倒入预热温度为300℃的模具浇铸成铝合金棒；浇铸制得的高模量铝合金棒放置到马弗炉中500℃保温2h；
3)然后迅速转移到450℃的挤压设备模具中，按挤压比为20:1进行热挤压，挤压得到的高模量铝合金导电管经风冷后矫直，随后对导电管表面进行钝化处理，最终得到高模量铝合金导电管6。
实施例7
基于高模量铝合金的特高压阀厅接地开关用导电管7的制备方法，包括以下步骤：
1)将6005铝合金粉末与纳米SiC颗粒混合得到复合材料，向复合材料中添加硬脂酸，在转速为400rpm条件下高能球磨4h，获得SiC增强铝基复合材料颗粒，其中，SiC纳米颗粒质量占复合材料总重量的5％，硬脂酸添加量为复合材料总重量的0.5％，球料比为10:1；
2)将SiC增强铝基复合材料颗粒加入到熔融状态的6005铝液(铝液温度为700℃)中，经机械搅拌和电磁搅拌分散后倒入预热温度为300℃的模具浇铸成铝合金棒；浇铸制得的高模量铝合金棒放置到马弗炉中500℃保温2h；
3)然后迅速转移到450℃的挤压设备模具中，按挤压比为20:1进行热挤压，挤压得到的高模量铝合金导电管经风冷后矫直，随后对导电管表面进行钝化处理，最终得到高模量铝合金导电管7。
实施例8
基于高模量铝合金的特高压阀厅接地开关用导电管8的制备方法，包括以下步骤：
1)将6005铝合金粉末与纳米SiC颗粒混合得到复合材料，向复合材料中添加硬脂酸，在转速为400rpm条件下高能球磨4h，获得SiC增强铝基复合材料颗粒，其中，SiC纳米颗粒质量占复合材料总重量的5％，硬脂酸添加量为复合材料总重量的0.5％，球料比为10:1；
2)将SiC增强铝基复合材料颗粒加入到熔融状态的6005铝液(铝液温度为750℃)中，经机械搅拌和电磁搅拌分散后倒入预热温度为300℃的模具浇铸成铝合金棒；浇铸制得的高模量铝合金棒放置到马弗炉中500℃保温2h；
3)然后迅速转移到450℃的挤压设备模具中，按挤压比为20:1进行热挤压，挤压得到的高模量铝合金导电管经风冷后矫直，随后对导电管表面进行钝化处理，最终得到高模量铝合金导电管8。
实施例9
基于高模量铝合金的特高压阀厅接地开关用导电管9的制备方法，包括以下步骤：
1)将6005铝合金粉末与纳米SiC颗粒混合得到复合材料，向复合材料中添加硬脂酸，在转速为400rpm条件下高能球磨4h，获得SiC增强铝基复合材料颗粒，其中，SiC纳米颗粒质量占复合材料总重量的5％，硬脂酸添加量为复合材料总重量的0.5％，球料比为10:1；
2)将SiC增强铝基复合材料颗粒加入到熔融状态的6005铝液(铝液温度为800℃)中，经机械搅拌和电磁搅拌分散后倒入预热温度为300℃的模具浇铸成铝合金棒；浇铸制得的高模量铝合金棒放置到马弗炉中500℃保温2h；
3)然后迅速转移到450℃的挤压设备模具中，按挤压比为20:1进行热挤压，挤压得到的高模量铝合金导电管经风冷后矫直，随后对导电管表面进行钝化处理，最终得到高模量铝合金导电管9。
对照例
不添加纳米增强相制作一个标样作为对比，将6005铝合金粉末经过高能球磨获得6005铝合金颗粒，球料比为10:1，转速为400rpm，球磨时间为4h。将6005铝合金颗粒加入到熔融状态的6005铝液中，铝液温度为700℃，经机械搅拌和电磁搅拌后倒入模具浇铸成铝合金棒，模具预热温度为300℃。浇铸制得的6005铝合金棒放置到马弗炉中500℃保温2h，然后迅速转移到450℃的挤压设备模具中，进行热挤压，挤压比为20:1。挤压得到的6005铝合金导电管经风冷后矫直，随后对导电管表面进行钝化处理，最终得到标样6005铝合金导电管成品。
由实施例1～9所制得高模量铝合金导电管的抗拉强度、弹性模量和延伸率如下表1所示。
样品 抗拉强度(kN) 弹性模量(GPa) 延伸率(％)
对照例 240 72 15
实施例1 260 75 12
实施例2 285 80 10
实施例3 304 82 8
实施例4 290 82 9
实施例5 317 88 8
实施例6 298 85 8
实施例7 308 90 10
实施例8 326 99 11
实施例9 306 88 10
从表1中可以看出，分别以不同的纳米增强颗粒、纳米增强颗粒的含量、球磨时间和浇铸温度作为变量，通过对比试验，可以发现实施例8的高模量导电管的各项性能均好于其他实施例，其抗拉强度达到326MPa，弹性模量达到99GPa，延伸率达到11％。因此实施例8为最佳实施例。
其它未详细说明的部分均为现有技术。尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims (3)

1.一种基于高模量铝合金的特高压阀厅接地开关用导电管的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)将铝合金粉末与纳米增强相材料的粉末混合得到复合材料，向复合材料中添加硬脂酸，并按球料比为10：1高能球磨1～20h制备得到铝基复合材料颗粒；其中，纳米增强相材料的重量占复合材料总重量的0.1～10％，硬脂酸的添加量占复合材料总重量的0.1～5％；纳米增强相材料为SiC纳米颗粒或者碳纳米管CNTs；所述SiC纳米颗粒的尺寸为1-100nm，碳纳米管CNTs的管径为40～500nm，长度为1μm～200μm；
2)将铝基复合材料颗粒加入到熔融状态的铝液中，通过机械搅拌和电磁搅拌的方式实现铝基复合材料颗粒在铝液中的分散，然后浇铸成高模量铝合金棒；其中，浇铸温度为700～900℃，浇铸模具预热温度为200～400℃；
3)将所述高模量铝合金棒放置在温度为400～600℃的马弗炉中保温2h，然后迅速转移到450℃的挤压设备模具中，按挤压比为5～30进行热挤压形成圆管，经风冷、矫直和表面钝化处理后获得特高压阀厅接地开关用导电管。
2.根据权利要求1所述基于高模量铝合金的特高压阀厅接地开关用导电管的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，熔融状态的铝液的温度为680～900℃，搅拌时间为0.5～2h。
3.根据权利要求1所述基于高模量铝合金的特高压阀厅接地开关用导电管的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中，导电管为圆管。
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