Y對耐熱鋁導體材料鑄態(tài)組織和性能的影響

韓 鈺，夏延秋，祝志祥，孫 遠，賓 杰，李紅英，楊長龍

（1.華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京102206；2.先進輸電技術(shù)國家重點實驗室（全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院），北京102211；3.中南大學材料科學與工程學院，長沙410083；4.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，沈陽110006）

Y對耐熱鋁導體材料鑄態(tài)組織和性能的影響

韓 鈺1，2，夏延秋1，祝志祥2，孫 遠3，賓 杰3，李紅英3，楊長龍4

（1.華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京102206；2.先進輸電技術(shù)國家重點實驗室（全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院），北京102211；3.中南大學材料科學與工程學院，長沙410083；4.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，沈陽110006）

隨著特高壓輸電技術(shù)在我國的大力發(fā)展，鋁合金導體材料作為特高壓輸電線路的主要組成部分，受到業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注.本文采用電導率測試、硬度測試、金相顯微鏡和掃描電鏡觀察等手段，研究添加不同含量稀土Y對鑄態(tài)Al-Zr耐熱鋁導體材料的影響.研究結(jié)果表明：Y元素和Fe、Si等雜質(zhì)元素形成金屬間化合物，可凈化基體，改變雜質(zhì)相的形態(tài)和分布，使其粒子化、球化和細化.Y元素在枝晶網(wǎng)絡和晶界分布，從而細化晶粒和枝晶組織，但添加量達到0.5%時晶粒細化不均勻.當Y含量為0.2%時，電導率達到60%IACS；當Y含量為0.3%時，硬度達到最高值20.9HBS，且電導率并無明顯下降.加入0.3%Y可使耐熱鋁導體材料獲得較好的綜合性能.

Y；鋁導體；晶粒細化；電導率；硬度

近年來電力行業(yè)加大了堅強智能電網(wǎng)的建設力度，現(xiàn)有的輸電線路不斷朝著高壓化、大容量化、遠距離化發(fā)展.因此，架空鋁導線作為電網(wǎng)的關(guān)鍵材料，迫切需要滿足大容量、大跨度、低密度、導電性優(yōu)良的要求［1-4］.普通鋁導線具有密度低、導電性好的優(yōu)點，但其力學性能較差，耐熱性差，難以滿足大跨度、大容量輸電線路的需求.采用耐熱鋁合金導線可以提高線路運行溫度約50℃，線路輸送容量增加50%以上［5-6］.隨著電網(wǎng)建設和改造步伐的不斷加速，對耐熱鋁導線的需求大幅增加，因此，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型耐熱鋁導線意義重大.鋁合金導體材料中常加入微量Zr元素用于提高強度和耐熱性［7-9］，但單獨添加Zr元素已不能滿足耐熱鋁導體材料越來越高的服役性能要求.因此，國內(nèi)外學者將復合微合金化技術(shù)作為改善耐熱鋁合金導體材料性能的突破口.稀土在鋁合金中起到凈化、細化和合金化作用，可有效改善鋁合金的組織性能［9-12］.目前，在Al-Mg-Si系鋁導體材料中加入稀土進行改良已經(jīng)取得了良好的效果［13］.但由于稀土元素種類繁多、與鋁基體的反應復雜，科研工作者對稀土在導電鋁中的微觀作用機制尚未形成統(tǒng)一的觀點［14-15］.為此，本文研究Y含量對耐熱鋁合金材料組織和性能的影響，利用Miedema模型，基于合金元素的基本性質(zhì)及Al-Y二元合金相圖的數(shù)據(jù)，根據(jù)熱力學基本原理計算Al-Y二元系統(tǒng)的混合焓、過剩熵和過剩吉布斯自由能，并以此為熱力學依據(jù)揭示不同Y添加量對耐熱鋁導體組織性能的影響規(guī)律，以期為設計含稀土的高導耐熱鋁導體材料提供依據(jù).

1 實驗材料與方法

采用99.7%（質(zhì)量分數(shù)，下同）的工業(yè)純鋁熔煉鑄造一系列Al-Zr-Y合金，F(xiàn)e、Si雜質(zhì)總量控制在0.3%以下，實驗合金化學成分如表1所示.由于熔煉過程存在一定的燒損，為了表述方便，本文均采用合金的名義成分.

表1 實驗合金的化學成分（質(zhì)量分數(shù)/%）Table 1 The chemical composition of the investigated alloy（wt.%）

采用Philips Sirion 200型掃描電鏡觀察合金中第二相的分布和形態(tài).采用Leica DMI3000金相顯微鏡觀察合金晶粒組織，任意選取30個視場對晶粒尺寸和枝晶間距進行觀察和測量，根據(jù)給定長度的測量線段與晶粒相交的數(shù)量，計算晶粒尺寸和枝晶間距.采用QJ19型單雙臂兩用電橋測量試樣電阻，電阻測試采用3組平行試樣，標準電阻取1 mΩ，工作電流為300 mA.采用HW187.5型布洛維硬度計測定布氏硬度（HBS），試驗力為625 N，持續(xù)時間30 s，取5個點的平均值.

2 結(jié)果與討論

2.1 Y含量對第二相的影響

圖1為添加不同Y含量合金鑄態(tài)組織的SEM照片，可以看出，合金鑄態(tài)組織中粗大第二相主要沿晶界分布，存在長條狀和骨骼狀兩種形態(tài)，是典型的富Fe雜質(zhì)相的SEM形貌.加入稀土Y后第二相的形貌及分布均發(fā)生變化，沿晶界分布的長條相減少，骨骼狀析出相逐漸減少，晶內(nèi)第二相增多，出現(xiàn)了球狀或短棒狀顆粒相.采用EDS能譜分析鑄態(tài)組織中的典型第二相粒子（標號1-4）的成分，結(jié)果如圖2所示.圖1（a）和（b）為未添加Y的微觀組織，由圖2（a）的能譜分析結(jié)果可知，晶界上骨骼狀的第二相主要含有Fe、Si兩種雜質(zhì)元素，可能為Al12Fe3Si相.圖1（c）和（d）對應Y加入量為0.1%的微觀組織，晶界第二相形貌發(fā)生變化，晶界上長條狀第二相（如2號粒子）仍然占主導地位，同時還可以觀察到少量短棒狀第二相（如3號粒子）呈斷續(xù)分布.根據(jù)圖2（b）和（c）的能譜分析結(jié)果可知，2號粒子可能為殘存的FeAl3共晶相，3號粒子為復雜的（AlFeSiY）相.當Y含量增加到0.3%時，從圖1（e）和（f）可以看出，晶界上的短棒狀第二相粒子數(shù)量顯著增加，而長條狀第二相數(shù)量則明顯減少.圖2（d）的能譜顯示，短棒狀的4號粒子也是（AlFeY）相.從微觀組織可以看出，Y有偏聚于晶界的傾向，Y含量較低時，析出沿晶界呈斷續(xù)狀分布的稀土化合物，當Y含量較高時，稀土化合物沿晶界連續(xù)分布.

圖3為含0.3%Y試樣的面掃描結(jié)果，可以看出，Y、Fe、Si元素沿晶界明顯偏聚，其中，F(xiàn)e的偏聚較Si更加明顯，這是因為實驗合金熔煉采用的原料中Fe雜質(zhì)含量遠多于Si雜質(zhì).由圖3還可以看出，在掃描范圍內(nèi)Zr原子彌散分布在基體內(nèi)部，沒有觀察到明顯的偏聚現(xiàn)象.結(jié)合SEM的觀察結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，復合添加的稀土Y凝固時在晶界處發(fā)生偏析，晶界上可以觀察到大量條狀或短棒狀的Al-Y稀土化合物，這是因為Y在鋁中的最大固溶度僅為0.04%，傾向于優(yōu)先在晶界處析出含Y化合物.Y與Fe、Si的交互作用比較大，加入的Y首先與鋁中的雜質(zhì)元素Fe、Si等反應，形成復雜的稀土化合物，因此，添加適量Y能夠產(chǎn)生凈化基體的作用，同時也會改變雜質(zhì)相的形態(tài)和分布.

圖1 添加不同Y含量合金的微觀形貌（SEM）Fig.1 SEM images of precipitated phase of Al-0.15Zr alloy with different Y contents：（a），（b）0Y；（c），（d）0.1%Y；（e），（f）0.3%Y

圖2 不同Y含量試樣的能譜分析結(jié)果Fig.2 The EDS analysis result for different particles

圖3 含0.3%Y試樣的元素面掃描Fig.3 Element area scanning results of the alloy with 0.3%Y：（a）SEM；（b）Al；（c）Fe；（d）Si；（e）Y；（f）Zr

2.2 Y含量對晶粒尺寸的影響

圖4為耐熱鋁導體材料中添加不同含量Y對應的宏觀鑄造組織，可以看出，增加Y含量可以擴大鑄錠中心等軸晶區(qū)的體積分數(shù)，而圍繞在等軸晶周圍的柱狀晶逐漸變短，間距也變小，晶粒細化趨勢明顯.添加0.1%的Y，鑄錠中心的等軸晶區(qū)域和晶粒尺寸仍然較大，周圍存在明顯的柱狀晶，當Y的加入量達到0.3%和0.4%時，可以觀察到大量細小的等軸晶，晶粒細化效果較好，當Y的加入量達到0.5%時，鑄錠中心區(qū)域等軸晶的尺寸不均勻，說明Y含量較高時晶粒細化效果不均勻，可能是因為過量的Y在鑄錠內(nèi)分布不均勻.綜上所述，Y的添加量在0.3%和0.4%時，細化晶粒效果較佳.

圖4 Y對Al-Zr合金宏觀組織的影響Fig.4 Macrostructures of Al-0.15Zr alloy with different contents of Y：（a）0Y；（b）0.1%Y；（c）0.2%Y；（d）0.3%Y；（e）0.4%Y；（f）0.5%Y

圖5為不同Y含量對應的金相組織，可以看出，提高Y含量，視場內(nèi)的晶粒和枝晶臂數(shù)目逐漸增多，說明加入Y有細化晶粒和枝晶的效果.當 Y添加量高于0.3%以后，晶界和三叉晶界處有細條狀和橢圓狀相，枝晶縮頸處也有顆粒相存在，且析出相的多少隨Y加入量上升而增加.

圖5 Y對合金金相組織的影響Fig.5 Microstructures of Al-0.15Zr alloy with different Y contents：（a）0Y；（b）0.1%Y；（c）0.2%Y；（d）0.3%Y；（e）0.4%Y；（f）0.5%Y

在金相顯微鏡下對任意30個視場的晶粒尺寸和枝晶間距進行觀察和測量，通過計數(shù)給定長度的測量線段與晶粒相交的數(shù)量，根據(jù)式（1）計算晶粒尺寸和枝晶間距.

圖6為Y加入量對晶粒尺寸和枝晶間距的影響規(guī)律.由圖6可以看到，添加0.1%Y后，晶粒尺寸由0.34 mm減少到約0.27 mm，枝晶間距由35.2 μm減少到34 μm，隨著Y含量的增加，鑄態(tài)晶粒尺寸逐漸減小.當Y含量為0.4%時，鑄態(tài)晶粒尺寸約為0.19 mm，而枝晶間距減小為26.1 μm.當Y含量為 0.5%時，鑄態(tài)晶粒尺寸約為0.21 mm，枝晶間距最小，為25.6 μm.當Y加入量適當時，能細化合金組織，抑制粗大枝晶組織形成.稀土Y是表面活性元素，能使合金液的界面張力降低，晶粒的形核功下降，臨界晶核半徑減小，易于形核，從而能細化鑄態(tài)組織.此外，Y在鋁中的極限固溶度僅為0.04%，凝固過程中Y難以進入液相，導致其在固-液界面前沿大量聚集，從而降低Fe、Si等雜質(zhì)元素在合金中的溶質(zhì)分配系數(shù)，導致界面邊界層中Y、Fe、Si等元素的濃度梯度增大，提高合金的成分過冷和不穩(wěn)定擾動，使得分支交接處形成縮頸、熔斷，同時導致第二相粒子球化和細化.此外，添加Y還可以增加α（Al）的結(jié)晶晶核，細化晶粒.合金中加入一定量的稀土后，增大了合金的成分過冷而使分枝過程加劇，改變了結(jié)晶方式.因此，枝晶的生長方式由平面生長變?yōu)榘麪顦渲L，形成更加發(fā)達的枝晶組織，二次枝晶增多，最終導致枝晶間距縮小.因此，凝固過程中溶質(zhì)再分配造成固液界面前沿成分過冷度增大是Y元素細化枝晶組織的主要機理.

圖6 Y對合金鑄態(tài)組織參數(shù)的影響Fig.6 Effects of Y content on dendrite arm spacing and grain size of as-cast alloy

從圖6中還可以看出，若稀土Y含量過大（約0.5%），其對晶粒的細化作用反而減弱.鋁合金鑄錠晶粒尺寸由形核率和長大速率之間的相互關(guān)系決定.一方面，形核率越大單位體積中可供形核的粒子越多，晶粒尺寸會更加細小.另一方面，晶粒的長大速率越快，長大過程中晶核數(shù)量減少，晶粒尺寸相應增大.為了揭示過量Y對合金晶粒尺寸影響的原因，采用半經(jīng)驗的Miedema模型計算Al-Y二元合金熔體的熱力學參數(shù).圖7為前期工作中采用Miedema模型計算的Al-Y合金成分與熱力學數(shù)據(jù)的關(guān)系曲線［16］，可以看出，在任意濃度，Al-Y二元合金熔體的混合焓、過剩熵、過剩吉布斯自由能都小于零，在富Al合金中，隨著Y含量增加，3個參數(shù)都會下降，說明更容易形成AlY化合物.增加Y含量雖然會增加成分過冷，提高形核率，但一旦過量，凝固過程中容易析出粗大的稀土化合物，從而削弱了成分過冷的作用.同時，由于Y含量過高，更容易生產(chǎn)AlY平衡相，而能起到釘扎晶界作用的過渡相Al3Y析出量較少，因此，晶粒的長大速率增加也會導致晶粒尺寸增加.

圖7 在1 800 K下Al-Y合金熱力學數(shù)據(jù)與合金成分的關(guān)系Fig.7 Relationship of thermodynamic data and components of Al-Y binary alloy at 1 800 K：（a）△Hmix；（b）SE；（c）△GE

2.3 Y含量對合金性能的影響

圖8為實驗合金的電導率和硬度與Y含量的關(guān)系曲線，可以看出，Y對合金的電導率有明顯的提高作用，當Y含量為0.2%時，合金的電導率最高，約為60%IACS.Y含量超過0.3%后，電導率有所下降.Fe、Si等雜質(zhì)和Y反應生成稀土化合物在晶界析出，減少了固溶的Fe、Si對電子的散射作用，因此，加入適量稀土Y能使合金的導電率提高.但添加過量的Y元素，反而會惡化合金的導電性能，這主要有兩個原因.首先，過量添加Y必然會使其在鋁基體中的溶解量增加，Y的原子半徑與Al的原子半徑差距較大，形成固溶體后導致明顯的晶格畸變，從而增加對載流電子的散射作用，合金電導率會明顯下降.其次，基體凈化效果不會因為過量添加Y而增加，此時更容易形成粗大的AlY平衡相，對Fe、Si雜質(zhì)相的變質(zhì)作用反而會減弱.

圖8 Y對合金導電率和硬度的影響Fig.8 Effects of Y content on the electrical conductivity and hardness of Al-0.15Zr alloy

隨著Y含量增加，合金的硬度也隨之上升，當Y含量為 0.3%時，硬度達到峰值，約為20.9 HBS.添加Y可以改變粗大雜質(zhì)相的形態(tài)，使其粒子化、球化和細化，減少對力學性能的不利影響，提高材料的強度.同時，合金中存在的細小稀土化合物粒子，可以有效阻止晶界的遷移和晶粒長大，有一定的強化作用，并具有良好的熱穩(wěn)定性.但當Y含量較高時，冷卻過程中容易析出粗大的AlY平衡相，喪失了與鋁基體的共格性，不能釘扎晶界，而且過量Y也會使稀土化合物產(chǎn)生偏聚，會危害材料的力學性能.

3 結(jié) 論

1）Y元素和Fe、Si等雜質(zhì)元素形成金屬間化合物，可凈化基體，改變雜質(zhì)相的形態(tài)和分布，使其粒子化、球化和細化.

2）Y元素在枝晶網(wǎng)絡和晶界分布，加大了合金凝固時的成分過冷程度，從而細化晶粒和枝晶組織，但添加量達到0.5%時晶粒細化效果不均勻.

3）適量添加Y可提高耐熱鋁導體材料的導電性和強度.當Y含量為0.2%時，電導率達到60% IACS；當Y含量為0.3%時，硬度到達最高值，約為20.9 HBS，而電導率并無明顯下降，因此，加入0.3% Y，可使耐熱鋁導體材料獲得較好的綜合性能.

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（編輯 呂雪梅）

Effect of Yttrium on as-cast microstructure and properties of heat-resistant aluminum conductor

HAN Yu1，2，XIA Yanqiu1，ZHU Zhixiang2，SUN Yuan3，BIN Jie3，LI Hongying3，YANG Changlong4
（1.School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China；2.State Key Laboratory of Advanced Power Transmission Technology（Global Energy Interconnection Research Institute），Beijing 102211，China；3.School of Materials Science and Engineering，Central South University，Changsha 410083，China；4.State Grid Liaoning Electrical Power Company，Shenyang 110006，China）

With the development of ultrahigh-voltage transmission technology，aluminum conductors，which are important contents for ultrahigh-voltage transmission line，have attracted much attention recently.The microstructure and properties of as-cast heat-resistant Al-Zr conductor with different amounts of Y were studied by means of electrical resistivity measurement，hardness test，optical microscopy and scanning electron microscopy.The results show that intermetallic compound containing Y and impurity Fe and Si are congregated along the grain boundary and dendritic boundary，which can purify the matrix and change the morphology of impurity phase.The Y atoms distributed on grain boundaries and dendrites increased the composition undercooling of the alloy.As a result，a significant grain refinement has been observed.Alloying of Y refines the grain and dendrite of Al-0.15Zr alloy.A proper addition of Y can improve the electrical conductivity and strength of the alloy.The electrical conductivity and strength of alloys reach the maximum values by adding 0.2%and 0.3%Y，respectively.As a result，the comprehensive property of the alloy would be improved by adding 0.3%Y.

Yttrium；aluminum conductor；grain refinement；electrical conductivity；hardness

TG146.2

A

1005-0299（2016）05-0071-07

10.11951/j.issn.1005-0299.20160512

2016-01-25.

國家電網(wǎng)公司科技項目（5455DW150015；5455DW150013；DG71-12-007）.

韓 鈺（1978—），女，博士，高級工程師；李紅英（1963—），女，教授，博士生導師.

李紅英，E-mail：lhying@mail.csu.edu.cn.