中文字幕一级黄色A级片|免费特级毛片。性欧美日本|偷拍亚洲欧美1级片|成人黄色中文小说网|A级片视频在线观看|老司机网址在线观看|免费一级无码激情黄所|欧美三级片区精品网站999|日韩av超碰日本青青草成人|一区二区亚洲AV婷婷

摘要

 

采用瓷剛鋁合金TiB2/Al制備導(dǎo)電鋁材，在大幅提升鋁材彈性模量的基礎(chǔ)上獲得了優(yōu)異的強(qiáng)塑性和電導(dǎo)率組合。瓷剛鋁合金通過氟鹽反應(yīng)法向鋁熔體中原位生成TiB2顆粒以增強(qiáng)鋁基體。相比于純合金而言，瓷剛鋁合金晶粒尺寸大幅降低。1070鋁合金中添加2%的TiB2顆粒，抗拉強(qiáng)度達(dá)到161.7 MPa，屈服強(qiáng)度為150.6 MPa，伸長率為7.76%，電導(dǎo)率為35.786 MS/m，彈性模量為73.1 GPa。6201鋁合金中添加0.5%的TiB2顆粒后抗拉強(qiáng)度提高了55 MPa，電導(dǎo)率提升了1.606 6 MS/m，伸長率未明顯降低。

 

鋁導(dǎo)線應(yīng)用最大的領(lǐng)域是架空輸電導(dǎo)線，得益于鋁的低密度、高比強(qiáng)度、低成本等特征［1-6］。相比于銅導(dǎo)線（TU2），6201鋁合金具有更輕、比強(qiáng)度更高、成本更低的優(yōu)勢(shì)。假設(shè)單位長度的導(dǎo)體具有相同的電導(dǎo)率，6201的質(zhì)量僅為TU2的60%，強(qiáng)度卻達(dá)到TU2的1.7倍。但架空輸電線路面臨最大的問題是惡劣的服役環(huán)境，要求材料在優(yōu)異的電導(dǎo)率基礎(chǔ)上盡可能地提升力學(xué)性能。然而鋁合金導(dǎo)電性和強(qiáng)度通常很難同時(shí)提升，因此導(dǎo)電鋁合金通過成分設(shè)計(jì)和微結(jié)構(gòu)調(diào)控實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度的大幅度提高和電導(dǎo)率微弱降低已經(jīng)成為制備高性能導(dǎo)電鋁材的關(guān)鍵。架空輸電線路存在的另外一個(gè)關(guān)鍵問題是鋁的彈性模量較低，導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)剛度較低，架設(shè)過程中產(chǎn)生的弧垂較大，受風(fēng)擺等影響容易發(fā)生疲勞斷裂，需要采用縮短架線距離的方法解決［7-8］。 

 

TiB2顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料是一種新型高性能結(jié)構(gòu)材料。TiB2顆粒的原位合成法-氟鹽反應(yīng)法［9-14］很容易與傳統(tǒng)熔鑄法和下游變形熱處理工藝相結(jié)合。TiB2是鋁基復(fù)合材料中非常優(yōu)異的增強(qiáng)體，其擁有極高的熔點(diǎn)（2 980 ℃）、硬度（34 GPa）和彈性模量（587.6 GPa）［15］，作為第二相陶瓷顆粒能夠有效提高導(dǎo)電鋁合金的強(qiáng)度和彈性模量。更為重要的是，鋁熔體或鋁基體中的陶瓷相TiB2在熱力學(xué)上穩(wěn)定，而且TiB2本身屬于導(dǎo)電陶瓷，具有優(yōu)異的電導(dǎo)率（6.942 6 MS/m），僅次于純Fe和純Pt［16］，并不會(huì)對(duì)導(dǎo)體的導(dǎo)電性造成巨大的損害。因此，本研究采用TiB2顆粒增強(qiáng)兩種常見的導(dǎo)電鋁合金—1070和6201，表征分析增強(qiáng)相的形貌、大小和分布狀態(tài)，并研究顆粒對(duì)電導(dǎo)率、強(qiáng)塑性和彈性模量的影響，旨在為其應(yīng)用提供參考。

 

1、 試驗(yàn)材料與方法

 

熔融的工業(yè)純鋁和瓷剛鋁反應(yīng)劑（K2TiF6+KBF4）通過氟鹽反應(yīng)法原位生成TiB2顆粒，形成瓷剛鋁母材，之后根據(jù)鋁合金牌號(hào)進(jìn)行合金化。同時(shí)采用超聲熔體處理、電磁攪拌和機(jī)械攪拌等熔體處理技術(shù)對(duì)瓷剛鋁合金熔體進(jìn)行精煉，以達(dá)到除氣、晶粒細(xì)化尤其是彌散團(tuán)聚顆粒的目的，接著通過連鑄、軋制或擠壓等變形工藝及熱處理形成最終產(chǎn)品，見圖1。

 

圖1

 

圖1是連續(xù)化生產(chǎn)的工藝思路，已初步形成相應(yīng)的產(chǎn)品，其中單批次規(guī)?；a(chǎn)已達(dá)1.5 t，而本研究是在前期實(shí)驗(yàn)室階段的工藝探索。熔煉是在井式坩堝熔煉爐中完成的，首先是顆粒的原位合成，合成溫度為850 ℃，保溫時(shí)長為40 min。氟鹽反應(yīng)法在鋁熔體中合成TiB2顆粒的反應(yīng)方程如下：

 

原位反應(yīng)結(jié)束后進(jìn)行合金化，以避免合金元素對(duì)原位反應(yīng)的影響。合金化后進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，并?20 ℃保溫10 min，接著采用氬氣對(duì)熔體進(jìn)行除氣精煉。最后采用超聲熔體處理技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的精煉處理以改善熔體中顆粒的分布狀態(tài)，其中超聲工具頭的材質(zhì)為TC4鈦合金，超聲頻率為20 kHz，超聲功率為 400 W。超聲熔體處理結(jié)束后立即將其澆注到金屬型中，以防止顆粒發(fā)生沉降，其中澆注溫度為720 ℃，瓷剛鋁合金在金屬型中的冷卻速率約為5 ℃/s。本研究通過向1070、6201兩種常用導(dǎo)電鋁合金中添加TiB2顆粒形成相應(yīng)的瓷剛鋁合金，兩種鋁合金的化學(xué)成分見表1。其中TiB2/1070瓷剛鋁合金的工藝路線是熔鑄→熱軋→冷軋。軋制是在?250 mm×400 mm雙輥軋機(jī)上完成的，熱軋溫度為460 ℃，每道次壓下量為5%，總壓下量為30%，冷軋每道次壓下量為3.5%，總壓下量為80%，最終形成厚度為2.5 mm，橫向尺寸為40 mm，軋向尺寸為1 m的薄板材。TiB2/6201瓷剛鋁合金的工藝路線是熔鑄→均勻化→熱軋→固溶→冷軋→人工時(shí)效。均勻化熱處理和固溶處理在馬弗爐中進(jìn)行，人工時(shí)效在恒溫干燥箱中進(jìn)行。均勻化熱處理制度是570 ℃×12 h，固溶處理制度是570 ℃×30 min，人工時(shí)效制度是170 ℃×4 h。軋制變形工藝和最終板材尺寸同TiB2/1070瓷剛鋁合金一致。

 

表1

 

室溫拉伸試驗(yàn)采用SUNS-UTM5105 拉伸機(jī)根據(jù)GB/T 228.1-2010進(jìn)行，配備型號(hào)為NCM-2D的視頻引伸計(jì)，標(biāo)距段尺寸為30 mm×2 mm，應(yīng)變速率為0.000 47 s-1。電導(dǎo)率測(cè)試使用Sigmascope SMP350手持式渦流非鐵金屬的電導(dǎo)率測(cè)試儀進(jìn)行。彈性模量使用UMS高級(jí)超聲材料表征系統(tǒng)根據(jù)GB/T 38897-2020進(jìn)行聲速的測(cè)量，進(jìn)而計(jì)算材料的彈性模量。采用JEM-7900F掃描電鏡對(duì)顆粒的形貌、尺寸和分布進(jìn)行觀察。顆粒的明場(chǎng)像以及元素分布使用JEM-F200場(chǎng)發(fā)射透射電鏡進(jìn)行表征分析。

 

2、 試驗(yàn)結(jié)果與分析

 

2.1 凝固組織

 

圖2為純合金和瓷剛鋁合金的微觀組織?？梢园l(fā)現(xiàn)，瓷剛鋁合金晶粒顯著細(xì)化，且在晶界處分布大量的陶瓷顆粒。軋制后沿晶界分布的顆粒隨晶粒沿軋制方向被拉長，擠壓后的顆粒分布嚴(yán)格平行于擠壓方向，這取決于不同變形過程中顆粒-基體的協(xié)調(diào)變形行為。

 

圖2

 

2.2 陶瓷顆粒形貌

 

圖3為瓷剛鋁合金中TiB2陶瓷顆粒的形貌及分布狀態(tài)?？梢园l(fā)現(xiàn)，六棱柱板片狀的TiB2（密排六方結(jié)構(gòu)）具有幾百nm至幾μm的尺寸分布，同時(shí)幾十nm甚至更小的顆粒附著于六棱柱板片狀的TiB2顆粒上。從圖3b中可以看出，不同粒徑的顆粒分布于鋁基體中，其中幾百nm的顆粒數(shù)量較多，μm級(jí)的顆粒數(shù)量較少。從圖3c中可以看出，除幾百nm的顆粒外，周圍分布著數(shù)目較大的幾十nm的小顆粒。圖4為顆粒及鋁基體的元素分布圖。因此瓷剛鋁中顆粒是由數(shù)目較大的幾十nm的小顆粒和數(shù)目較小的幾百nm甚至幾μm的大顆粒共同組成的。將這種配置稱為“雙級(jí)顆粒”強(qiáng)化，其中亞微米級(jí)顆粒發(fā)揮晶粒細(xì)化、阻礙晶界移動(dòng)的作用［17-18］，納米級(jí)顆粒依據(jù)Orowan位錯(cuò)繞過機(jī)制［19-20］從第二相強(qiáng)化的角度發(fā)揮顯著的強(qiáng)化作用，而兩者通常對(duì)電導(dǎo)率并無明顯損害。因此，瓷剛鋁合金用于制備高性能的導(dǎo)電鋁材具有重大優(yōu)勢(shì)。

 

圖3

 

 

圖4

 

2.3 性能比較

 

瓷剛鋁合金用于導(dǎo)電鋁材必須在強(qiáng)韌化和電導(dǎo)率的協(xié)調(diào)之間取得平衡，獲得優(yōu)異的綜合性能。本研究向常規(guī)的1070導(dǎo)電鋁合金中添加0.5%、1%、2%和3%的TiB2陶瓷顆粒及向6201導(dǎo)電鋁合金中添加0.5%的TiB2陶瓷顆粒形成相應(yīng)的瓷剛鋁合金，其力學(xué)性能和導(dǎo)電性能見圖5和圖6。從圖5可以看出，相比于1070鋁合金，隨著TiB2陶瓷顆粒含量的增加，瓷剛鋁合金TiB2/1070的強(qiáng)度逐漸上升，歸因于晶粒細(xì)化及顆粒增強(qiáng)帶來的強(qiáng)化；伸長率略微提高，歸因于晶粒的細(xì)化；電導(dǎo)率逐漸下降，彈性模量逐漸提高。特別地，2%的TiB2添加的TiB2/1070瓷剛鋁合金抗拉強(qiáng)度為158.7 MPa，屈服強(qiáng)度為147.6 MPa，伸長率為7.8%，電導(dǎo)率為35.77 MS/m，彈性模量為73.14 GPa。根據(jù)GB/T 17048-2017中對(duì)硬鋁線電性能和力學(xué)性能的規(guī)定，2% TiB2/1070瓷剛鋁合金在滿足電導(dǎo)率的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升了導(dǎo)體材料的強(qiáng)度、伸長率，尤其是提升了導(dǎo)體材料的彈性模量，在實(shí)現(xiàn)低弧垂大跨越輸電導(dǎo)線的應(yīng)用上表現(xiàn)出巨大優(yōu)勢(shì)。從圖6可以看出，相比于6201鋁合金，瓷剛鋁合金0.5% TiB2/6201抗拉強(qiáng)度提高16.9%，伸長率未明顯降低，同時(shí)由于TiB2陶瓷顆粒有助于Mg、Si元素的析出，使得電導(dǎo)率提升了5.2%。綜上所述，相比于傳統(tǒng)的導(dǎo)電鋁合金，瓷剛鋁合金能夠明顯提升材料的力學(xué)性能，且對(duì)電導(dǎo)率的損害較為微弱，在導(dǎo)電鋁材的應(yīng)用領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的潛力。

 

圖5

 

圖6

 

總結(jié)和展望

 

（1）相比于純合金而言，加入TiB2顆粒的瓷剛鋁合金晶粒尺寸大幅度降低。 

 

（2）原位生成的TiB2形成了“雙級(jí)顆粒”的配置，即數(shù)量較少的亞微米級(jí)六棱柱板片TiB2顆粒和數(shù)量較大的納米級(jí)TiB2顆粒。 

 

（3）1070鋁合金中添加不同含量的TiB2顆粒，隨著顆粒含量的增加，瓷剛鋁合金TiB2/1070的強(qiáng)度逐漸上升，歸因于晶粒細(xì)化及顆粒增強(qiáng)；伸長率略微提高，歸因于晶粒的細(xì)化；電導(dǎo)率逐漸下降，彈性模量逐漸提高。特別地，2%的TiB2添加的TiB2/1070瓷剛鋁合金的抗拉強(qiáng)度為161.7 MPa，屈服強(qiáng)度為150.6 MPa，伸長率為7.76%，電導(dǎo)率為35.786 MS/m，彈性模量為73.1 GPa。 

 

（4）6201鋁合金中添加0.5%的TiB2顆粒后抗拉強(qiáng)度提高了16.9%，電導(dǎo)率提升了5.2%，伸長率未明顯降低。 

 

來源：特種鑄造及有色合金

 

論文信息：趙凱，陳宗寧，郝志剛，等. 用于輸電導(dǎo)線的瓷剛鋁合金TiB2/Al的組織性能研究［J］. 特種鑄造及有色合金，2024，44（11）：1 518-1 522.