摘要：在输电领域，铝导线因自身特性广泛应用，但架空输电面临恶劣环境与性能困境。传统铝合金导电性和强度难以兼顾，且弹性模量低易致弧垂与疲劳断裂。TiB₂颗粒增强铝基复合材料应运而生，其氟盐反应法易于融合传统工艺，TiB₂自身性能优异且热力学稳定、导电性良好，为解决问题
导读
针对输电导线铝材料难题，用 TiB₂/Al 增强 1070 和 6201 铝合金，经系列工艺与测试，揭示其组织性能变化规律，助力输电导线材料发展。
在输电领域，铝导线因自身特性广泛应用，但架空输电面临恶劣环境与性能困境。传统铝合金导电性和强度难以兼顾，且弹性模量低易致弧垂与疲劳断裂。TiB₂颗粒增强铝基复合材料应运而生，其氟盐反应法易于融合传统工艺，TiB₂自身性能优异且热力学稳定、导电性良好，为解决问题带来希望。
本研究采用该材料增强 1070 和 6201 铝合金，经多工艺制样后测试性能与表征组织。创新地发现 “双级颗粒” 强化现象，系统分析颗粒对合金性能影响。结果表明，瓷刚铝合金晶粒细化，“双级颗粒” 协同强化，使 1070 合金添加 2% TiB₂、6201 合金添加 0.5% TiB₂后，强度提升、电导率适度降低或提升、弹性模量增加，为输电导线高性能铝材制备提供重要支撑。
【研究亮点】
首次在输电导线用铝合金中深入探究 TiB₂/Al 体系，聚焦 1070 和 6201 合金，针对性强，为行业关键材料研究开拓新方向。
精准剖析 “双级颗粒” 强化机制，明确亚微米与纳米级 TiB₂颗粒在晶粒细化、位错强化及电导率保持方面的独特作用，理论创新突出。
【文章来源】
大连理工大学王同敏教授团队在2024年第44卷第11期《特种铸造及有色合金》期刊上发表了题为“用于输电导线的瓷刚铝合金TiB2/Al的组织性能研究”的文章，作者采用瓷刚铝合金TiB2/Al制备导电铝材，在大幅提升铝材弹性模量的基础上获得了优异的强塑性和电导率组合。瓷刚铝合金通过氟盐反应法向铝熔体中原位生成TiB2颗粒以增强铝基体。相比于纯合金而言，瓷刚铝合金晶粒尺寸大幅降低。1070铝合金中添加2%的TiB2颗粒，抗拉强度达到161.7 MPa，屈服强度为150.6 MPa，伸长率为7.76%，电导率为35.786 MS/m，弹性模量为73.1 GPa。6201铝合金中添加0.5%的TiB2颗粒后抗拉强度提高了55 MPa，电导率提升了1.606 6 MS/m，伸长率未明显降低。
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【研究方法】
材料制备：以氟盐反应法在铝熔体中原位生成 TiB₂颗粒，结合超声、电磁等熔体处理技术精炼，依合金牌号经连铸、轧制等工艺成型，制备 TiB₂/1070 和 TiB₂/6201 合金试样。
性能测试与组织表征：依国标用拉伸机测力学性能、涡流测试仪测电导率、超声系统测弹性模量；借扫描电镜和透射电镜观察颗粒与组织形貌、尺寸及元素分布，全面获取材料特性信息。
【图文解析】
1试验材料与方法
熔融的工业纯铝和瓷刚铝反应剂（K2TiF6+KBF4）通过氟盐反应法原位生成TiB2颗粒，形成瓷刚铝母材，之后根据铝合金牌号进行合金化。同时采用超声熔体处理、电磁搅拌和机械搅拌等熔体处理技术对瓷刚铝合金熔体进行精炼，以达到除气、晶粒细化尤其是弥散团聚颗粒的目的，接着通过连铸、轧制或挤压等变形工艺及热处理形成最终产品，见图1。
图1瓷刚铝合金TiB2/Al生产工艺流程
图1是连续化生产的工艺思路，已初步形成相应的产品，其中单批次规模化生产已达1.5 t，而本研究是在前期实验室阶段的工艺探索。熔炼是在井式坩埚熔炼炉中完成的，首先是颗粒的原位合成，合成温度为850 ℃，保温时长为40 min。
原位反应结束后进行合金化，以避免合金元素对原位反应的影响。合金化后进行充分搅拌，并在720 ℃保温10 min，接着采用氩气对熔体进行除气精炼。最后采用超声熔体处理技术进行进一步的精炼处理以改善熔体中颗粒的分布状态，其中超声工具头的材质为TC4钛合金，超声频率为20 kHz，超声功率为 400 W。超声熔体处理结束后立即将其浇注到金属型中，以防止颗粒发生沉降，其中浇注温度为720 ℃，瓷刚铝合金在金属型中的冷却速率约为5 ℃/s。本研究通过向1070、6201两种常用导电铝合金中添加TiB2颗粒形成相应的瓷刚铝合金，两种铝合金的化学成分见表1。其中TiB2/1070瓷刚铝合金的工艺路线是熔铸→热轧→冷轧。轧制是在ϕ250 mm×400 mm双辊轧机上完成的，热轧温度为460 ℃，每道次压下量为5%，总压下量为30%，冷轧每道次压下量为3.5%，总压下量为80%，最终形成厚度为2.5 mm，横向尺寸为40 mm，轧向尺寸为1 m的薄板材。TiB2/6201瓷刚铝合金的工艺路线是熔铸→均匀化→热轧→固溶→冷轧→人工时效。均匀化热处理和固溶处理在马弗炉中进行，人工时效在恒温干燥箱中进行。均匀化热处理制度是570 ℃×12 h，固溶处理制度是570 ℃×30 min，人工时效制度是170 ℃×4 h。轧制变形工艺和最终板材尺寸同TiB2/1070瓷刚铝合金一致。
室温拉伸试验采用SUNS-UTM5105 拉伸机根据GB/T 228.1-2010进行，配备型号为NCM-2D的视频引伸计，标距段尺寸为30 mm×2 mm，应变速率为0.000 47 s-1。电导率测试使用Sigmascope SMP350手持式涡流非铁金属的电导率测试仪进行。弹性模量使用UMS高级超声材料表征系统根据GB/T 38897-2020进行声速的测量，进而计算材料的弹性模量。采用JEM-7900F扫描电镜对颗粒的形貌、尺寸和分布进行观察。颗粒的明场像以及元素分布使用JEM-F200场发射透射电镜进行表征分析。
2试验结果与分析
图2为纯合金和瓷刚铝合金的微观组织。可以发现，瓷刚铝合金晶粒显著细化，且在晶界处分布大量的陶瓷颗粒。轧制后沿晶界分布的颗粒随晶粒沿轧制方向被拉长，挤压后的颗粒分布严格平行于挤压方向，这取决于不同变形过程中颗粒-基体的协调变形行为。
图2瓷刚铝合金TiB2/Al的微观组织
图3为瓷刚铝合金中TiB2陶瓷颗粒的形貌及分布状态。可以发现，六棱柱板片状的TiB2（密排六方结构）具有几百nm至几μm的尺寸分布，同时几十nm甚至更小的颗粒附着于六棱柱板片状的TiB2颗粒上。从图3b中可以看出，不同粒径的颗粒分布于铝基体中，其中几百nm的颗粒数量较多，μm级的颗粒数量较少。从图3c中可以看出，除几百nm的颗粒外，周围分布着数目较大的几十nm的小颗粒。图4为颗粒及铝基体的元素分布图。因此瓷刚铝中颗粒是由数目较大的几十nm的小颗粒和数目较小的几百nm甚至几μm的大颗粒共同组成的。将这种配置称为“双级颗粒”强化，其中亚微米级颗粒发挥晶粒细化、阻碍晶界移动的作用，纳米级颗粒依据Orowan位错绕过机制从第二相强化的角度发挥显著的强化作用，而两者通常对电导率并无明显损害。因此，瓷刚铝合金用于制备高性能的导电铝材具有重大优势。
图3瓷刚铝合金TiB2/Al中TiB2颗粒的形貌及分布状态
图4瓷刚铝合金TiB2/6201中TiB2颗粒及其元素分布
瓷刚铝合金用于导电铝材必须在强韧化和电导率的协调之间取得平衡，获得优异的综合性能。本研究向常规的1070导电铝合金中添加0.5%、1%、2%和3%的TiB2陶瓷颗粒及向6201导电铝合金中添加0.5%的TiB2陶瓷颗粒形成相应的瓷刚铝合金，其力学性能和导电性能见图5和图6。从图5可以看出，相比于1070铝合金，随着TiB2陶瓷颗粒含量的增加，瓷刚铝合金TiB2/1070的强度逐渐上升，归因于晶粒细化及颗粒增强带来的强化；伸长率略微提高，归因于晶粒的细化；电导率逐渐下降，弹性模量逐渐提高。特别地，2%的TiB2添加的TiB2/1070瓷刚铝合金抗拉强度为158.7 MPa，屈服强度为147.6 MPa，伸长率为7.8%，电导率为35.77 MS/m，弹性模量为73.14 GPa。根据GB/T 17048-2017中对硬铝线电性能和力学性能的规定，2% TiB2/1070瓷刚铝合金在满足电导率的基础上，进一步提升了导体材料的强度、伸长率，尤其是提升了导体材料的弹性模量，在实现低弧垂大跨越输电导线的应用上表现出巨大优势。从图6可以看出，相比于6201铝合金，瓷刚铝合金0.5% TiB2/6201抗拉强度提高16.9%，伸长率未明显降低，同时由于TiB2陶瓷颗粒有助于Mg、Si元素的析出，使得电导率提升了5.2%。综上所述，相比于传统的导电铝合金，瓷刚铝合金能够明显提升材料的力学性能，且对电导率的损害较为微弱，在导电铝材的应用领域表现出巨大的潜力。
图5不同TiB2陶瓷颗粒含量对应的1070瓷刚铝合金的力学性能和电导率
图60.5% TiB2/6201瓷刚铝合金的力学性能和电导率
【主要结论】
· 证实 TiB₂颗粒可大幅细化瓷刚铝合金晶粒，优化微观结构，为性能提升奠定基础。
· 明确原位生成的 “双级颗粒” 强化配置，为理解材料强化机制提供关键依据，指导高性能复合材料设计。
· 得出 1070 合金添加 2% TiB₂、6201 合金添加 0.5% TiB₂时，在强度、伸长率、电导率和弹性模量上达到的优异综合性能指标，为输电导线选材提供实用参考。
【本文引用格式】
中文：赵凯，陈宗宁，郝志刚，等。用于输电导线的瓷刚铝合金 TiB₂/Al 的组织性能研究 [J]. 特种铸造及有色合金，2024，44 (11)：1518 - 1522.
英文：ZHAO K，CHEN Z N，HAO Z G，et al. Microstructure and properties of ceramic - rigid TiB₂/Al for transmission conductor [J]. Special Casting & Nonferrous Alloys，2024，44 (11)：1518 - 1522.
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【扩展阅读】
《特种铸造及有色合金》2024年第44卷第11期
来源：特铸杂志
