高強、高導耐熱鋁合金導體材料研究現狀及展望

葉亞飛，王 征，孫嘯飛，嚴 鵬

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

0 引言

進入21 世紀后，隨著社會經濟的高速發展電力需求急劇增加，因此開展相關研究促進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，具有較好的導電性、成型性以及相對低廉的價格，在電力電纜的應用中廣泛替代銅[1]。使用鋁合金作為架空輸電線已經成為電能輸送的重要趨勢和主要載體，其應用已超過百年。自20 世紀50 年代末，日本首先研制成功普通耐熱鋁合金導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注[2]；進入20 世紀末，日本、美國、加拿大等發達國家已經廣泛使用耐熱鋁合金導線[3，4]。直到20 世紀60 年代初期，我國才組織相關力量開始開展耐熱鋁合金導線的相關研究；2007 年，60%IACS 鋼芯耐熱鋁合金導線通過成果鑒定后轉為批量生產[5，6]。耐熱鋁合金導線具有低弧垂、增容等特性，使用其進行線路改造時可在少更換或不更換桿塔的前提下，提高運行溫度到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老舊線路增容改造[7，8]。但是，我國當前主要使用的架空輸電線路仍主要是傳統的鋼芯鋁絞線，耐熱能力較為有限，線路的輸電容量也會受到限制。毋庸置疑，對耐熱鋁合金導體材料及導線開展研究并加以推廣應用具有顯著的經濟價值和社會效益[9]。

耐熱鋁合金導體材料經過熔煉、軋制、拉拔等工序處理后制得耐熱鋁合金導線，承擔大容量電能的傳輸任務，因此耐熱鋁合金導體材料性能的好壞直接決定著最終導線的導電性能和力學性能[10]。文章對耐熱鋁合金國內外發展現狀簡要回顧，從耐熱機制、影響因素及應用進展等方面對耐熱鋁合金材料及導線展開論述，并對未來耐熱鋁合金導體材料的發展趨勢進行展望。

1 國內外耐熱導電鋁合金發展現狀

目前，國內外使用的耐熱導電鋁合金大多為Al-Zr 合金，按照導電率分為55%、58% 和60%等檔次[11]。美國科學家Herrington 于1949 年研究發現微量鋯可以提高鋁合金耐熱性能[12]，且對導電率的影響可以控制在最小范圍內。日本線纜企業首先對該發現進行了關注，在此基礎上對合金元素影響純鋁的導電性與力學性能進行深入研究，并在20 世紀60 年代開發出一種含鋯的鋁合金增容導線，導電率達到58%IACS[13，14]，實現連續運行溫度和短時容許溫度分別為150℃和180℃，在變電站母線和線路增容中改造應用。20 世紀70年代初期，60%IACS 耐熱鋁合金導線被研制出來并應用于特殊要求的輸電線路上；直到20 世紀90年代開始大量推廣與應用[15]。隨后，日本通過改進工藝進一步提高耐熱鋁合金導線的導電率，最終通過采用99.86% 以上高純工業鋁錠，在復雜嚴苛的工藝條件下實現了61%IACS 導電率耐熱鋁合金單絲的制備，但由于制備成本高、工藝要求復雜，導致相關研究成果一直停留在實驗室階段。與此同時，美國、加拿大在對耐熱鋁合金材料進行研究的基礎上相繼開發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用耐熱鋁合金導線。法國、德國、瑞士等發達國家也非常重視耐熱導電鋁合金材料的開發，將其率先應用于高壓輸電線路。近幾年，隨著南亞、東南亞地區經濟的迅猛發展，帶來耐熱鋁合金導線在不同領域應用的快速增長[4]。

1980 年左右，上海電纜所與武漢電纜廠對58TACSR 耐熱鋁合金進行聯合攻關，成功研制出此類產品并打破依賴進口的局面[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），實現耐熱溫度超過150℃，在上海南橋、北京安定、浙江瓶窯等幾十所變電站推廣應用，使用量突破2 600t，主要應用場景為短距離的市區輸電線路增容改造工程。隨著我國城市化進程的快速推進，與之相應的電力需求急劇增加，對原有老城區的線網改造增容則顯得極為迫切，導電率超過60TACSR 的耐熱鋁合金導線也進入定型生產[11,17]。上海電纜研究所、杭州電纜有限公司、青島漢纜集團有限公司、上海中天鋁線有限公司、遠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用，產品已經能媲美國外產品。目前，我國耐熱鋁合金導線市場格局處于58TAL（普通耐熱鋁合金導線）和60TAL（高導電耐熱鋁合金導線）生產并存階段，為了進一步降低線路損耗，國家電網等單位已經開展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 導電鋁合金耐熱機制分析

耐熱導電鋁合金是一種高強度、高耐熱性和高導電率三者性能協調的合金材料，而這三者性能的協同提高已經成為業界研究的重點與難點。金屬材料導電性能與其內部的微觀結構與組織密切相關，熱振動、溶質原子和晶體缺陷等組織特征都會顯著影響內部電子散射，從而影響材料最終導電率大小[18]。但是，合金材料強度與導電率卻相互矛盾，提高合金強度會導致導電率下降，提高導電率則會損失合金強度[19,20]。因此，開發耐熱高導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，且析出的強化相具有良好的熱穩定性。耐熱鋁合金，經過幾十年的發展，形成了眾多牌號，但總體均屬于Al-Zr 系列合金。Zr 元素的添加，可以提高再結晶溫度[21]，提高抗蠕變性能[22]，以及細化晶粒并提高力學性能[23]，但會降低導電性能。

2.1 合金元素對耐熱性能影響

微合金化技術是研究與制備高導電鋁合金的重要技術手段，能夠充分挖掘合金材料潛力，實現合金性能的明顯改善。

Zr，是當前開發熱穩定析出相增強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物質，在一定溫度下是穩定的[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、亞穩相、平衡相。屬于高溫穩定相，一是因為Zr 在鋁中低的擴散動力學，二是析出相與鋁基體晶格參數錯配度低[26]。析出相最高的穩定保持溫度為475℃，超過475℃后其發生粗化并轉化為其平衡相D023 結構[27]。但是，添加Zr 以后，Al 晶體中點陣發生明顯畸變，導致電子散射增加，最終降低合金材料導電性。

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

2.2 均質化工藝對耐熱性能的影響

合金鑄錠的均質化對于合金材料最終性能至關重要。對于耐熱導電鋁合金，Zr 的加入使得合金中分布有一定數量的第二相粒子，主要為高溫強化粒子，可以阻礙晶內滑移和晶界滑移，從而提高合金蠕變抗力和阻礙蠕變裂紋擴展。當Zr 以中間相形式存在，不是以固溶態存在時，合金材料導電率不會明顯下降[31]，因此如何實現粒子盡可能細小且分布均勻，對于導電鋁合金材料的耐熱性能至關重要。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，所以時效處理對于鋁鋯合金的強化非常適合[33]。Kumar, Chink等人[34,35]提出了空位與溶質原子作用析出沉淀相的觀點：認為的形核與空位有關，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使空位凍結；因此在時效過程中，這些凍結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 耐熱導電鋁合金制備工藝難點

耐熱鋁合金導體材料的研究與開發受多因素控制，對此需要綜合考慮，尤其是需要平衡力學性能、導電性能以及耐熱性能三者之間的關系。

3.1 合金元素協同性

對于耐熱導電鋁合金設計，微合金化的元素包括稀土元素、硼（B）、鋯（Zr）。目前，耐熱導電鋁合金中常用的稀土元素包括鉺（Er）、釔（Y）、鑭（La）、鈰（Ce）。稀土元素對于導電鋁的作用[36]主要是改變雜質元素鐵、硅分布規律，促進雜質硅從固溶態轉變為析出態；細化合金二次枝晶組織，減小共晶化合物尺寸等。硼對鋁導體的導電性有很大影響，硼的加入會與Ti、V、Cr、Mn等發生化學反應而生成硼化物析出鋁基體，通過該效應減少對電子散射的影響，從而提高其導電率[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 時導電性損失不大，耐熱性卻明顯提高，但是隨著Zr 含量增加導電性卻快速下降。對于高強耐熱導電鋁合金要同時具備導電性、力學性能和耐熱性，不同的合金元素對三者性能的影響相互對立，因此如何通過設計導電鋁合金材料合金配方配比來實現三者性能的協同提高成為高強耐熱導電鋁合金制備的重點與難點。

3.2 制備工藝匹配性

鋁合金導體材料的微觀結構是調控其綜合性能的重要方式，開發出與導體材料合金成分相匹配的加工工藝對實現其高強、高導、耐熱性能至關重要。導電鋁合金屬于變形鋁合金材料范疇，其塑形變形過程會對材料的第二相大小、形態及分布產生變化從而影響材料導電性能。目前，導電鋁合金鋁桿常用的生產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鍵控制參數，對于其導電性與力學性能影響明顯[39]。導體鋁桿經過冷變形后的退火處理對導線單絲導電性影響也是非常明顯，回復、再結晶、晶粒長大等3 個階段常見于退火過程中，每個階段對于材料電導率的影響也是各不相同，所以為了使冷拔后的鋁合金導體單絲實現高強、高導及耐熱，需要制定合適的退火溫度與時間。另外，高潔凈度的鋁合金熔體是獲得性能優良鋁合金導體材料的關鍵，按照凈化原理可以分為吸附、非吸附和復合凈化三大類[40]。鋁合金吸附凈化是指使用特定吸附劑以后，促使熔體中氣態與固態雜質直接結合，達到對熔體凈化的效果。非吸附凈化法指通過超聲、抽真空、密度差等物理作用，使氣、固態雜質從熔體中分離凈化的方法。復合凈化法是以超聲波凈化為基礎與其他方法相結合的復合凈化技術。目前，對于電工鋁桿，非吸附凈化法能夠起到顯著的凈化作用，還能細化晶粒，但存在設備復雜、處理能力有限等問題；而復合凈化法則廣泛應用于鋁桿的連鑄連軋生產，在除氫、大尺寸雜質方面取得了較好效果[41]。總之，對于鋁合金導體材料的加工制備工藝，方案、參數的選擇與優化對于最終鋁桿的性能影響明顯，為了達到高強、耐熱、高導等3個方面性能協同提升，根據原材料品質、合金成分及性能要求來設計與優化制備方案也是高強高導耐熱鋁合金導線制備的關鍵與難點。

4 結束語

高強耐熱高導電鋁合金作為一種新型導體材料，隨著未來電網擴容改造，遠距離、大容量輸電需求的增長必將迎來巨大發展。目前，世界各國均投入大量人力和物力對高強耐熱高導電鋁合金進行研究，主要以Al-Zr 合金系列合金為主，而我國已經形成了2 個系列的耐熱鋁合金產品并實現推廣應用。未來，隨著61%IACS 耐熱鋁合金導體材料需求的進一步明確，微合金化技術與制備工藝匹配優化將成為耐熱鋁合金導體材料研究的重點和關鍵。