Yb、Er对8030导电合金力学和导电性能的影响

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以99.85wt%(wt%:质量百分比,下同)的工业纯铝、Al-20Fe、Al-50.2Cu、Al-5.08Yb和Al-18.11Er中间合金为原料,根据正交优化表设计的合金成分,采用熔配法制备了Yb、Er添加8030导电铝合金。铸锭经500℃+24h均匀化处理后,进行了热挤(HE)+热轧(HR)+冷轧(CR)加工,并对冷热加工前后合金进行了不同温度时效处理。通过硬度、室温拉伸、电阻率测试,并结合正交优化结果,获得了时效、冷热加工和Yb、Er元素含量对合金综合性能的影响。  硬度测试结果表明:对HE+HR+CR处理前的Yb、Er添加8030合金,时效对合金硬度无明显影响。而经HE+HR+CR加工后,合金硬度显著提高,且随时效温度升高而不断降低。在所有状态下,合金硬度均随着合金化元素含量的升高而略有增加,相应的优化结果也证实了这一点。  室温拉伸性能测试也证实了硬度测试结果:HE+HR+CR处理前,时效对Yb、Er添加8030合金的强度和延伸率无明显影响,这表明在时效过程中析出的次生沉淀相的强化效果不明显。而经HE+HR+CR处理后,合金强度显著升高,延伸率则明显下降。180~230℃时效1h后,由于形变组织的恢复和再结晶,合金强度明显下降,延伸率增加。其中HE+HR+CR态和HE+HR+CR+A(180℃+1h)态合金的强度和延伸率均满足IEC62004国际标准规定的AT1耐热铝导线合金对强度(≥159MPa)和延伸率(1.5~2.0%)的要求。整体上来说,随着合金化元素总含量升高,合金强度略有提高,延伸率则稍有降低。  蠕变性能测试结果表明:高含量Fe、Cu元素对合金高温抗蠕变能力不利,而Yb、Er添加能适当改善合金抗蠕变能力,相应的优化结果也证实了这一点。这可能是因为Yb、Er元素易与Al形成细小、弥散的Al3Yb或Al3Er沉淀有关,在高温变形时,这些沉淀能有效钉扎位错,从而提高抗蠕变能力,HE+HR+CR态合金经180℃时效1h后蠕变表观应力指数为3.53~4.07,介于第一类固溶体(合金型固溶体)应力指数(n=3)和纯金属应力指数(n=4~7)之间,即8030合金的蠕变兼具第一类固溶体和纯金属蠕变特征。这表明该合金蠕变过程中位错滑移的确受到了溶质气团的拖拽作用。  室温电学性能测试结果表明:HE+HR+CR处理不仅能大幅提高合金力学性能,还能适当改善合金导电性。这是因为冷热加工,尤其是热加工(HE和HR),能有效促进铸造微裂纹闭合,减少微裂纹数量,从而提高合金导电性。整体来说,合金化元素含量越高,合金导电性能越差。所有 HE+HR+CR态合金经180~230℃时效1h后的电导率均满足IEC62004标准规定的AT1导电合金的要求(60.0%IACS)。正交优化结果表明,HE+HR+CR处理前Yb、Er添加8030合金电学性能与时效温度的关系复杂;对HE+HR+CR处理后的合金来说,随着时效温度的升高,Cu、Yb和Er元素对合金电学性能的影响呈增加趋势,而Fe元素的规律性不强。  电阻率-温度谱测试结果表明:HE+HR+CR+A(180℃+1h)态的1#(Al-0.30Fe-0.15Cu-0.00Yb-0.00Er)、4#(Al-0.55Fe-0.15Cu-0.05Yb-0.10Er)和9#(Al-0.80Fe-0.30Cu-0.05Yb-0.00Er)合金的电阻温度系数(3.80~4.19×10-3/℃)均小于纯铝电阻温度系数(4.29×10-3/℃),这对8030导电合金在高温应用有利。  综合结果表明:9种合金经HE+HR+CR+A(180℃+1h)处理后,抗拉强度为159.21~176.64MPa,延伸率为8.30~11.27%,20℃相对电导率为60.06~61.78%IACS,其综合性能满足IEC62004国际标准规定的AT1耐热导电铝合金的性能要求。其中,4#(Al-0.55Fe-0.15Cu-0.05Yb-0.10Er)合金具有更好的力学和电学性能,其抗拉强度,延伸率和20℃相对电导率分别为167.46MPa,9.80%和61.18%IACS。整体而言,Yb、Er添加8030导电合金性能对合金化元素含量不敏感,易于工业化生产。
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