高强、高导耐热铝合金导体材料研究现状及展望

叶亚飞，王 征，孙啸飞，严 鹏

（1.北京航空航天大学云南创新研究院，云南 昆明 650051；2.云南云铝泽鑫铝业有限公司，云南 曲靖 655500）

0 引言

进入21 世纪后，随着社会经济的高速发展电力需求急剧增加，因此开展相关研究促进输电效率提高和输电损耗降低等变得越来越迫切和必要。铝合金材料，具有较好的导电性、成型性以及相对低廉的价格，在电力电缆的应用中广泛替代铜[1]。使用铝合金作为架空输电线已经成为电能输送的重要趋势和主要载体，其应用已超过百年。自20 世纪50 年代末，日本首先研制成功普通耐热铝合金导线并在输电线路中得到大量使用，引起了世界各国的广泛关注[2]；进入20 世纪末，日本、美国、加拿大等发达国家已经广泛使用耐热铝合金导线[3，4]。直到20 世纪60 年代初期，我国才组织相关力量开始开展耐热铝合金导线的相关研究；2007 年，60%IACS 钢芯耐热铝合金导线通过成果鉴定后转为批量生产[5，6]。耐热铝合金导线具有低弧垂、增容等特性，使用其进行线路改造时可在少更换或不更换杆塔的前提下，提高运行温度到120℃以上，提高载流量40% 以上；尤其适合大容量输电线路的新建和居民密集区老旧线路增容改造[7，8]。但是，我国当前主要使用的架空输电线路仍主要是传统的钢芯铝绞线，耐热能力较为有限，线路的输电容量也会受到限制。毋庸置疑，对耐热铝合金导体材料及导线开展研究并加以推广应用具有显著的经济价值和社会效益[9]。

耐热铝合金导体材料经过熔炼、轧制、拉拔等工序处理后制得耐热铝合金导线，承担大容量电能的传输任务，因此耐热铝合金导体材料性能的好坏直接决定着最终导线的导电性能和力学性能[10]。文章对耐热铝合金国内外发展现状简要回顾，从耐热机制、影响因素及应用进展等方面对耐热铝合金材料及导线展开论述，并对未来耐热铝合金导体材料的发展趋势进行展望。

1 国内外耐热导电铝合金发展现状

目前，国内外使用的耐热导电铝合金大多为Al-Zr 合金，按照导电率分为55%、58% 和60%等档次[11]。美国科学家Herrington 于1949 年研究发现微量锆可以提高铝合金耐热性能[12]，且对导电率的影响可以控制在最小范围内。日本线缆企业首先对该发现进行了关注，在此基础上对合金元素影响纯铝的导电性与力学性能进行深入研究，并在20 世纪60 年代开发出一种含锆的铝合金增容导线，导电率达到58%IACS[13，14]，实现连续运行温度和短时容许温度分别为150℃和180℃，在变电站母线和线路增容中改造应用。20 世纪70年代初期，60%IACS 耐热铝合金导线被研制出来并应用于特殊要求的输电线路上；直到20 世纪90年代开始大量推广与应用[15]。随后，日本通过改进工艺进一步提高耐热铝合金导线的导电率，最终通过采用99.86% 以上高纯工业铝锭，在复杂严苛的工艺条件下实现了61%IACS 导电率耐热铝合金单丝的制备，但由于制备成本高、工艺要求复杂，导致相关研究成果一直停留在实验室阶段。与此同时，美国、加拿大在对耐热铝合金材料进行研究的基础上相继开发出具有特色的钢芯软铝绞线[3]，并在70% 以上输电线路中广泛应用耐热铝合金导线。法国、德国、瑞士等发达国家也非常重视耐热导电铝合金材料的开发，将其率先应用于高压输电线路。近几年，随着南亚、东南亚地区经济的迅猛发展，带来耐热铝合金导线在不同领域应用的快速增长[4]。

1980 年左右，上海电缆所与武汉电缆厂对58TACSR 耐热铝合金进行联合攻关，成功研制出此类产品并打破依赖进口的局面[16]；直至2003年，我国已有10 余家电缆厂研制出58TACSR（钢芯耐热铝合金绞线），实现耐热温度超过150℃，在上海南桥、北京安定、浙江瓶窑等几十所变电站推广应用，使用量突破2 600t，主要应用场景为短距离的市区输电线路增容改造工程。随着我国城市化进程的快速推进，与之相应的电力需求急剧增加，对原有老城区的线网改造增容则显得极为迫切，导电率超过60TACSR 的耐热铝合金导线也进入定型生产[11,17]。上海电缆研究所、杭州电缆有限公司、青岛汉缆集团有限公司、上海中天铝线有限公司、远东电缆有限公司等纷纷推出60TACSR 钢芯耐热铝合金绞线，在许多重要线路中得到应用，产品已经能媲美国外产品。目前，我国耐热铝合金导线市场格局处于58TAL（普通耐热铝合金导线）和60TAL（高导电耐热铝合金导线）生产并存阶段，为了进一步降低线路损耗，国家电网等单位已经开展61%IACS 的耐热铝合金线的研制[2]，未来将因其具有低能耗、低孤垂特性而受到广泛青睐。

2 导电铝合金耐热机制分析

耐热导电铝合金是一种高强度、高耐热性和高导电率三者性能协调的合金材料，而这三者性能的协同提高已经成为业界研究的重点与难点。金属材料导电性能与其内部的微观结构与组织密切相关，热振动、溶质原子和晶体缺陷等组织特征都会显著影响内部电子散射，从而影响材料最终导电率大小[18]。但是，合金材料强度与导电率却相互矛盾，提高合金强度会导致导电率下降，提高导电率则会损失合金强度[19,20]。因此，开发耐热高导电铝合金材料需要在添加很少量合金元素的前提条件下析出大量均匀的弥散相，且析出的强化相具有良好的热稳定性。耐热铝合金，经过几十年的发展，形成了众多牌号，但总体均属于Al-Zr 系列合金。Zr 元素的添加，可以提高再结晶温度[21]，提高抗蠕变性能[22]，以及细化晶粒并提高力学性能[23]，但会降低导电性能。

2.1 合金元素对耐热性能影响

微合金化技术是研究与制备高导电铝合金的重要技术手段，能够充分挖掘合金材料潜力，实现合金性能的明显改善。

Zr，是当前开发热稳定析出相增强铝合金的最重要的微合金化元素之一[24]。在Al-Zr 合金凝固过程中，析出的相是一种高熔点物质，在一定温度下是稳定的[25]。在铝合金基体中，Zr 的存在形式大致分为四类：置换固溶体、粗大初生相、亚稳相、平衡相。属于高温稳定相，一是因为Zr 在铝中低的扩散动力学，二是析出相与铝基体晶格参数错配度低[26]。析出相最高的稳定保持温度为475℃，超过475℃后其发生粗化并转化为其平衡相D023 结构[27]。但是，添加Zr 以后，Al 晶体中点阵发生明显畸变，导致电子散射增加，最终降低合金材料导电性。

Er，属于镧系稀土元素中的一种，也是铝合金进行微合金化的元素之一，其与稀土元素Sc 具有相近的细化晶粒、提高抗拉强度的效果[28]。聂作仁[29]等通过对使用Er 作为微合金化的铝合金进行研究后得出，微量Er 能够细化铝合金晶粒，对铝的强度也有所提高，但对材料伸长率影响不大。同时，Er 还可以显著的抑制合金再结晶过程的发生，至少促使其再结晶温度提高50℃以上，从而最终实现其高温性能的明显改善[30]。

2.2 均质化工艺对耐热性能的影响

合金铸锭的均质化对于合金材料最终性能至关重要。对于耐热导电铝合金，Zr 的加入使得合金中分布有一定数量的第二相粒子，主要为高温强化粒子，可以阻碍晶内滑移和晶界滑移，从而提高合金蠕变抗力和阻碍蠕变裂纹扩展。当Zr 以中间相形式存在，不是以固溶态存在时，合金材料导电率不会明显下降[31]，因此如何实现粒子尽可能细小且分布均匀，对于导电铝合金材料的耐热性能至关重要。在Al-Zr 二元合金相图中，Zr 在Al 中的最大固溶度为0.28%，而当温度降低到500℃，固溶度只有0.05%[32]，多余的锆则以金属间化合物的形式析出，所以时效处理对于铝锆合金的强化非常适合[33]。Kumar, Chink等人[34,35]提出了空位与溶质原子作用析出沉淀相的观点：认为的形核与空位有关，在固溶过程中形成了大量的空位，而固溶处理后快速冷却会使空位冻结；因此在时效过程中，这些冻结的空位释放保证合金析出相具有很高的形核率，从而使得合金中呈弥散状分布。

3 耐热导电铝合金制备工艺难点

耐热铝合金导体材料的研究与开发受多因素控制，对此需要综合考虑，尤其是需要平衡力学性能、导电性能以及耐热性能三者之间的关系。

3.1 合金元素协同性

对于耐热导电铝合金设计，微合金化的元素包括稀土元素、硼（B）、锆（Zr）。目前，耐热导电铝合金中常用的稀土元素包括铒（Er）、钇（Y）、镧（La）、铈（Ce）。稀土元素对于导电铝的作用[36]主要是改变杂质元素铁、硅分布规律，促进杂质硅从固溶态转变为析出态；细化合金二次枝晶组织，减小共晶化合物尺寸等。硼对铝导体的导电性有很大影响，硼的加入会与Ti、V、Cr、Mn等发生化学反应而生成硼化物析出铝基体，通过该效应减少对电子散射的影响，从而提高其导电率[37,38]。Zr 是耐热铝合金中最重要的微合金化元素，在铝中添加Zr 时导电性损失不大，耐热性却明显提高，但是随着Zr 含量增加导电性却快速下降。对于高强耐热导电铝合金要同时具备导电性、力学性能和耐热性，不同的合金元素对三者性能的影响相互对立，因此如何通过设计导电铝合金材料合金配方配比来实现三者性能的协同提高成为高强耐热导电铝合金制备的重点与难点。

3.2 制备工艺匹配性

铝合金导体材料的微观结构是调控其综合性能的重要方式，开发出与导体材料合金成分相匹配的加工工艺对实现其高强、高导、耐热性能至关重要。导电铝合金属于变形铝合金材料范畴，其塑形变形过程会对材料的第二相大小、形态及分布产生变化从而影响材料导电性能。目前，导电铝合金铝杆常用的生产工艺为连铸连轧工艺，涉及浇铸温度、铸轧道次、轧制温度与速度都是影响最终铝杆的关键控制参数，对于其导电性与力学性能影响明显[39]。导体铝杆经过冷变形后的退火处理对导线单丝导电性影响也是非常明显，回复、再结晶、晶粒长大等3 个阶段常见于退火过程中，每个阶段对于材料电导率的影响也是各不相同，所以为了使冷拔后的铝合金导体单丝实现高强、高导及耐热，需要制定合适的退火温度与时间。另外，高洁净度的铝合金熔体是获得性能优良铝合金导体材料的关键，按照净化原理可以分为吸附、非吸附和复合净化三大类[40]。铝合金吸附净化是指使用特定吸附剂以后，促使熔体中气态与固态杂质直接结合，达到对熔体净化的效果。非吸附净化法指通过超声、抽真空、密度差等物理作用，使气、固态杂质从熔体中分离净化的方法。复合净化法是以超声波净化为基础与其他方法相结合的复合净化技术。目前，对于电工铝杆，非吸附净化法能够起到显著的净化作用，还能细化晶粒，但存在设备复杂、处理能力有限等问题；而复合净化法则广泛应用于铝杆的连铸连轧生产，在除氢、大尺寸杂质方面取得了较好效果[41]。总之，对于铝合金导体材料的加工制备工艺，方案、参数的选择与优化对于最终铝杆的性能影响明显，为了达到高强、耐热、高导等3个方面性能协同提升，根据原材料品质、合金成分及性能要求来设计与优化制备方案也是高强高导耐热铝合金导线制备的关键与难点。

4 结束语

高强耐热高导电铝合金作为一种新型导体材料，随着未来电网扩容改造，远距离、大容量输电需求的增长必将迎来巨大发展。目前，世界各国均投入大量人力和物力对高强耐热高导电铝合金进行研究，主要以Al-Zr 合金系列合金为主，而我国已经形成了2 个系列的耐热铝合金产品并实现推广应用。未来，随着61%IACS 耐热铝合金导体材料需求的进一步明确，微合金化技术与制备工艺匹配优化将成为耐热铝合金导体材料研究的重点和关键。