CN114999709B - 一种粉末冶金高强高导耐热铝导线及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种粉末冶金高强高导耐热铝导线及其制备方法：将气雾化的超细铝粉和粗铝粉以一定比例进行混合，通过热等静压技术获得胚料，再通过热挤压，拉拔成型工艺成功制备出性能优异的高强高导耐热铝导线。该导线由板条状超细晶粒构成，平均晶粒厚度小于1000nm，板条状超细晶粒的长度和厚度的比值的平均值大于5，晶界处分布着不连续的氧化物颗粒，且氧化物颗粒的平均尺寸小于50nm，其抗拉强度＞200MPa，导电率＞60％IACS，密度≤2.7g/cm3，230℃保温1h后强度保持率＞95％。与常规合金化方法相比，该发明具有原料成本低，无需添加昂贵的合金化元素，制备工艺简单，无需后续热处理等优点，适合大批量生产。

Description

一种粉末冶金高强高导耐热铝导线及其制备方法
技术领域
本发明属于高强高导耐热铝导线领域，具体涉及一种粉末冶金高强高导耐热铝导线及其制备方法。
背景技术
随着我国社会经济快速发展，电力需求量也迅速增加，输电线路建设正朝着长距离，大跨度，超高压，大容量方向发展。目前，我国的高压架空输电导线普遍采用钢芯铝绞线，这种绞线重量大，耐热性能差，载流量受到限制，电能损失大，不能满足电力发展的需要。而耐热铝导线与钢芯铝绞线相比，因具备重量轻，弧垂小，耐热性好，载流量大等优点，更适合应用在超高压线路和大跨越线路，在线路弧垂相同的情况下，可以增加铁塔的档距或降低铁塔高度来减少土地占用和线路建设成本。但目前国内耐热铝导线的导电性能、耐热性能和力学性能等方面不能兼顾，因此我国耐热铝导线的使用率很低。为了满足我国西电东送，南北互通，全国联网的战略部署，迫切需要研究开发出高强、高导、耐热铝导线。
目前耐热铝导线的制备工艺通常为合金化方法制备胚料，然后通过挤压，拉拔，热处理等工艺成型单丝。这种方法存在的问题是在实际生产中，铝导线的耐热性和抗拉强度与导电率是相互矛盾的，因此在保证导电率的同时提高铝材的抗拉强度和耐热性，对添加合金种类及含量有很高的要求。这导致耐热铝导线原料成本高、回收难度高、铸造及后续热处理工艺复杂。
发明内容
为解决现有合金化方法制备高强高导耐热铝导线原料成本高、回收难度高、制备工艺复杂等问题，本发明提出了一种采用粉末冶金技术制备高强高导耐热铝导线及其制备方法：先将气雾化的超细铝粉(粉末颗粒尺寸范围：D＜1μm)和粗铝粉(3μm＜D＜5μm)以一定比例进行混合，通过热等静压技术获得胚料，再通过热挤压，拉拔成型工艺成功制备出性能优异的高强高导耐热铝导线。该导线由细小的板条状超细晶组织构成，晶界处分布着大量不连续的氧化物颗粒。该微观组织特征既保证了导线的高强度和高组织稳定性，又兼顾了导线的导电率。该导线的抗拉强度≥200MPa，导电率≥60％IACS，密度≤2.7g/cm3，230℃保温1h后强度保持率≥95％。与常规合金化方法相比，该发明具有原料成本低，无需添加昂贵的合金化元素，制备工艺简单，无需后续热处理等优点，适合大批量生产。
本发明的技术方案如下：
一种粉末冶金高强高导耐热铝导线的制备方法，主要包括以下步骤：
第一步：制粉及筛分
使用纯度≥99.7％的纯铝锭为原料，通过真空感应熔炼惰性气体雾化方法制备球形粉末，然后将粉末通过震动筛分和气流分级方法进行筛分，得到超细铝粉或超细铝粉和粗铝粉；
第二步：混粉
当第一步筛分得到的粉末为超细铝粉和粗铝粉时，使用V型混料机进行混粉；以超细铝粉体积分数不低于50％的比例，将超细铝粉和粗铝粉混合并放入料斗内搅拌；若第一步筛分得到的粉末仅为超细铝粉时，此步骤跳过；
第三步：真空除气
将第二步得到的粉末放入铝合金包套，然后在400-500℃条件下对包套进行高温除气处理；当包套内真空度优于2×10-3Pa后，对包套进行封焊处理；
第四步：热等静压
将包套放入热等静压炉内进行烧结；以不大于10℃/min的升温速度加热至烧结温度，烧结温度为500-600℃；在升温的同时，通过介质向包套的各个方向均匀地施加压力，加压速度根据升温速度及烧结温度决定，使包套在达到烧结温度的同时，达到烧结压力，烧结压力为100-130MPa；在目标温度和压力下保温保压烧结20min-180min后停止加热、卸除载荷，随炉冷却至100℃后，取出包套；待包套冷却至室温后，通过机加工去除包套得到胚料；
第五步：热挤压
将胚料加热至挤压温度后保温1-3h，挤压成
Figure BDA0003688886030000021
的杆材，挤压温度为300-400℃，挤压速度为0.5-1.5m/min；
第六步：拉丝
将杆材经多道次拉拔后得到
Figure BDA0003688886030000031
的铝线，每道次拉拔变形量为3-5％。
优选地，第一步中的超细铝粉为粒径小于1μm的超细铝粉，第一步中的混合粉为粒径小于1μm的超细铝粉和粒径为3-5μm的粗铝粉的混合粉。
优选地，第二步中，搅拌速度为20-30转/分，混合时间为10-30min。
本发明还提供了一种高强高导耐热铝导线，所述铝导线由板条状超细晶粒构成，平均晶粒厚度小于1000nm，板条状超细晶粒的长度和厚度的比值的平均值大于5，晶界处分布着不连续的氧化物颗粒，且氧化物颗粒的平均尺寸小于50nm。
优选的，所述铝导线的抗拉强度≥200MPa，导电率≥60％IACS，密度≤2.7g/cm3，230℃保温1h后强度保持率≥95％。
本发明与现有技术相比，具有以下显著优点：
第一，本发明使用原料为纯度≥99.7％的纯铝，原料成本低廉，不需添加Sc、Er、Ce、Y等昂贵的合金化元素，导线易于回收再利用。
第二，工艺流程简单，不需要对导线做热处理即可使用，适合大批量生产。
第三，本发明使用纯铝粉烧结，不含高密度合金化元素，因此导线的密度≤2.7g/cm3。
第四，本发明通过调控超细铝粉及粗铝粉比例，即可有效调控铝导线的强度及导电性，使铝导线的综合性能具有极佳的可设计性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明的实施例2所得铝导线的电子背散射衍射(EBSD)微观组织照片。
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。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，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。
实施例1：
第一步：制粉及筛分
使用纯度为99.9％的纯铝锭为原料，通过真空感应熔炼惰性气体雾化方法制备球形粉末，然后将粉末通过震动筛分+气流分级方法进行筛分，得到粒径小于1μm的超细铝粉。
第二步：混粉
因为粉末全部使用超细纯铝粉，此步骤跳过。
第三步：真空除气
将超细铝粉取1.5kg放入铝合金包套，然后在480℃条件下对包套进行高温除气处理。当包套内真空度优于2×10-3Pa后，对包套进行封焊处理。
第四步：热等静压
将包套放入热等静压炉内进行烧结。以10℃/min的升温速度加热至烧结温度，烧结温度为580℃；在升温的同时，通过介质向包套的各个方向均匀地施加压力，使包套在达到烧结温度的同时，达到烧结压力，烧结压力为110MPa；在目标温度和压力下保温保压烧结120min后停止加热、卸除载荷，随炉冷却至100℃后，取出包套。待包套冷却至室温后，通过机加工去除包套得到
Figure BDA0003688886030000041
胚料。
第五步：热挤压
将胚料加热至挤压温度后保温2h，挤压成
Figure BDA0003688886030000042
的杆材，挤压温度为400℃，挤压速度为1m/min。
第六步：拉丝
将杆材经9道次拉拔后得到
Figure BDA0003688886030000043
的铝线。
本实施例通过上述方法制备的铝导线由细小的板条状超细晶组织构成，其平均晶粒厚度约为200nm，板条状晶粒的长度和厚度的比值为7.0，晶界处分布着大量不连续的氧化物颗粒，且氧化物的平均颗粒尺寸为15nm。该导线的室温抗拉强度为225MPa，断裂伸长率为4.2％，电导率为60.1％IACS。在230℃退火1小时后，强度保持率为100％。具备优异的强度、塑性、导电性、耐热性匹配。
实施例2：
第一步：制粉及筛分
使用纯度为99.9％的纯铝锭为原料，通过真空感应熔炼惰性气体雾化方法制备球形粉末，然后将粉末通过震动筛分+气流分级方法进行筛分，得到粒径小于1μm的超细铝粉以及粒径为3～5μm的粗铝粉。
第二步：混粉
使用V型混料机进行混粉。将超细粉和粗粉按体积分数2：1的比例放入料斗中，搅拌速度为30转/分，混合时间为10min。
第三步：真空除气
将混好的铝粉取1.5kg放入铝合金包套，然后在480℃条件下对包套进行高温除气处理。当包套内真空度优于2×10-3Pa后，对包套进行封焊处理。
第四步：热等静压
将包套放入热等静压炉内进行烧结。以10℃/min的升温速度加热至烧结温度，烧结温度为550℃；在升温的同时，通过介质向包套的各个方向均匀地施加压力，使包套在达到烧结温度的同时，达到烧结压力，烧结压力为100MPa；在目标温度和压力下保温保压烧结120min后停止加热、卸除载荷，随炉冷却至100℃后，取出包套。待包套冷却至室温后，通过机加工去除包套得到
Figure BDA0003688886030000051
胚料。
第五步：热挤压
将胚料加热至挤压温度后保温2h，挤压成
Figure BDA0003688886030000052
的杆材，挤压温度为400℃，挤压速度为1m/min。
第六步：拉丝
将杆材经9道次拉拔后得到
Figure BDA0003688886030000053
的铝线。
图1为本实施例所得导线的电子背散射衍射(EBSD)微观组织照片，该导线由组织细小的板条状超细晶粒构成，其平均晶粒厚度约为300nm，板条状晶粒的长度和厚度的比值为6.8，晶界处分布着大量不连续的氧化物颗粒，且氧化物的平均颗粒尺寸为20nm。本实施例通过上述方法制备的铝导线室温抗拉强度为210MPa，断裂伸长率为6.0％，电导率为61.1％IACS。在230℃退火1小时后，强度保持率＞98％。具备优异的强度、塑性、导电性、耐热性匹配。
实施例3：
第一步：制粉及筛分
使用纯度为99.9％的纯铝锭为原料，通过真空感应熔炼惰性气体雾化方法制备球形粉末，然后将粉末通过震动筛分+气流分级方法进行筛分，得到粒径小于1μm的超细铝粉以及粒径为3～5μm的粗铝粉。
第二步：混粉
使用V型混料机进行混粉。将超细粉和粗粉按体积分数1：1的比例放入料斗中，搅拌速度为30转/分，混合时间为15min。
第三步：真空除气
将混好的铝粉取1.5kg放入铝合金包套，然后在480℃条件下对包套进行高温除气处理。当包套内真空度优于2×10-3Pa后，对包套进行封焊处理。
第四步：热等静压
将包套放入热等静压炉内进行烧结。以10℃/min的升温速度加热至烧结温度，烧结温度为550℃；在升温的同时，通过介质向包套的各个方向均匀地施加压力，使包套在达到烧结温度的同时，达到烧结压力，烧结压力为100MPa；在目标温度和压力下保温保压烧结120min后停止加热、卸除载荷，随炉冷却至100℃后，取出包套。待包套冷却至室温后，通过机加工去除包套得到
Figure BDA0003688886030000061
胚料。
第五步：热挤压
将胚料加热至挤压温度后保温2h，挤压成
Figure BDA0003688886030000062
的杆材，挤压温度为400℃，挤压速度为1m/min。
第六步：拉丝
将杆材经9道次拉拔后得到
Figure BDA0003688886030000063
的铝线。
本实施例通过上述方法制备的铝导线由细小的板条状超细晶组织构成，其平均晶粒厚度约为350nm，板条状晶粒的长度和厚度的比值为6.5，晶界处分布着大量不连续的氧化物颗粒，且氧化物的平均颗粒尺寸为23nm。该导线的室温抗拉强度为200MPa，断裂伸长率为5.2％，电导率为61.8％IACS。在230℃退火1小时后，强度保持率＞95％。具备优异的强度、塑性、导电性、耐热性匹配。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种高强高导耐热铝导线，其特征在于，所述铝导线由板条状超细晶粒构成，平均晶粒厚度小于1000nm，板条状超细晶粒的长度和厚度的比值的平均值大于5，晶界处分布着不连续的氧化物颗粒，且氧化物颗粒的平均尺寸小于50nm；所述铝导线的抗拉强度≥200MPa，导电率≥60％IACS，密度≤2.7g/cm3，230℃保温1h后强度保持率≥95％。
2.一种如权利要求1所述高强高导耐热铝导线的制备方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
第一步：制粉及筛分
使用纯度≥99.9％的高纯铝锭为原料，通过真空感应熔炼惰性气体雾化方法制备球形粉末，然后将粉末通过震动筛分和气流分级方法进行筛分，得到超细铝粉或超细铝粉和粗铝粉；
第二步：混粉
当第一步筛分得到的粉末为超细铝粉和粗铝粉时，使用V型混料机进行混粉；以超细铝粉体积分数不低于50％的比例，将超细铝粉和粗铝粉混合并放入料斗内搅拌；若第一步筛分得到的粉末仅为超细铝粉时，此步骤跳过；
第三步：真空除气
将第二步得到的粉末放入铝合金包套，然后在400-500℃条件下对包套进行高温除气处理；当包套内真空度优于2×10-3Pa后，对包套进行封焊处理；
第四步：热等静压
将包套放入热等静压炉内进行烧结；以不大于10℃/min的升温速度加热至烧结温度，烧结温度为500-600℃；在升温的同时，通过介质向包套的各个方向均匀地施加压力，加压速度根据升温速度及烧结温度决定，使包套在达到烧结温度的同时，达到烧结压力，烧结压力为100-130MPa；在目标温度和压力下保温保压烧结20min-180min后停止加热、卸除载荷，随炉冷却至100℃后，取出包套；待包套冷却至室温后，通过机加工去除包套得到胚料；
第五步：热挤压
将胚料加热至挤压温度后保温1-3h，挤压成φ10mm的杆材，挤压温度为300-400℃，挤压速度为0.5-1.5m/min；
第六步：拉丝
将杆材经多道次拉拔后得到φ1.5-3.5mm的铝线，每道次拉拔变形量为3-5％。
3.根据权利要求2所述的一种粉末冶金高强高导耐热铝导线的制备方法，其特征在于，第一步中的超细铝粉为粒径小于1μm的超细铝粉，第一步中的混合粉为粒径小于1μm的超细铝粉和粒径为3-5μm的粗铝粉的混合粉。
4.根据权利要求2或3所述的一种粉末冶金高强高导耐热铝导线的制备方法，其特征在于，第二步中，搅拌速度为20-30转/分，混合时间为10-30min。
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