《Materials Science and Engineering: A》：Strength Degradation and Conductivity Enhancement Mechanisms Governed by Microstructural Evolution in Ultrafine-Grained Hypoeutectic Al–Si Conductor Cables
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研究超细晶Al-Si合金导线高温退火后力学性能与导电性演变规律，发现90-150℃以位错恢复为主，200℃ Si纳米沉淀粗化显著，250-300℃晶粒长大主导软化，EC提升约1%，且其热稳定性优于传统AA1350和AA8030合金。
Mohammad Khoshghadam-Pireyousefan | Alexandre Maltais | Julie Levesque | X.-Grant Chen | Mousa Javidani
魁北克大学希库蒂米分校应用科学系铝研究中心（CURAL）和REGAL铝研究中心，加拿大萨格奈省G7H 2B1
摘要
可靠的电力传输需要具有高热稳定性的导体合金，因为在较高的工作温度下，铝电缆的强度退化是不可避免的。本研究探讨了新型超细晶粒（UFG）亚共晶Al–Si合金线在退火后的强度退化和电导率（EC）变化，其微观结构变化通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）进行了表征。在拉拔状态下，这些合金线的强度来源于沉淀硬化、应变硬化和晶界强化。退火处理逐渐降低了强度，同时提高了伸长率和电导率，在过渡温度下观察到这两种效应的叠加。退化机制随温度而变化：90–150°C时以空位和位错恢复为主；200°C时Si纳米沉淀物粗化占主导；250–300°C时再结晶导致的晶粒生长引起了显著的软化。这些机制还减少了电子散射，使得电导率仅增加了约1%（IACS）。与传统AA1350和AA8030导体相比，UFG Al–Si合金线表现出更好的热稳定性，这归因于Si纳米沉淀物的钉扎作用以及其等轴超细晶粒结构中高角度晶界的较高比例。这些发现加深了人们对Al–Si导体强度-电导率权衡的理解，并为开发高性能铝基合金提供了支持。这类合金特别适用于能够承载更高电流密度并传输更远距离的高压电力电缆。
引言
由于各行业广泛采用电气化措施以实现2050年净零排放目标，全球电力需求正在迅速增长，其中太阳能和风能等远程可再生能源推动了这一转变[1]。主要由铝及其合金组成的架空输电线路对于这一转型至关重要。强度和电导率（EC）是架空铝电缆的关键性能指标：强度确保了结构的完整性和长期可靠性，而电导率则实现了高效的电力传输[2][3]。在服役过程中，这些电缆会持续受到风压、冰压和自重等环境应力的影响[4]。同时，不断增长的电力需求和远程可再生能源的整合要求提高输电容量，这给电网带来了额外的压力。这种需求增加通过焦耳热效应提高了导体温度，迫使电缆在高温下长时间运行并承受环境应力[5][6]。
广泛使用的铝基架空导体（如全铝合金导体AAAC和铝导体钢增强型ACSR）的安全连续工作温度通常≤90°C[7]。然而，在高容量负载或短路条件下，实际使用环境中的温度可能超过200°C。由于ACSR的外层由AA1350组成，而AAAC由AA6101/AA6201铝合金构成，这种高温会导致微观结构变化，包括位错恢复、再结晶、晶粒生长、织构演变和沉淀物粗化，从而降低强度并影响长期可靠性[8][9]。因此，要确保在增加的容量需求下安全、高效和可靠地运行，需要全面了解高温下导体电缆的强度退化机制及其电导率变化。
为了模拟服役条件，人们已经对各种铝基导体线进行了广泛的退火处理研究，主要集中在强度退化方面，而同时研究电导率变化的研究相对较少[10][11][12][13][14][15][16][17]。在商业纯铝中，强度损失主要源于织构演变、位错恢复和晶粒生长[10][11][12]。此外，合金添加元素显著影响了退化机制。在Al–Fe合金线中，低温下强度降低是由于位错恢复，中等温度下Fe富集沉淀物粗化，高温下则出现广泛的晶粒生长[12][13]。虽然Fe沉淀物提高了低温稳定性，但由于电子散射作用，它们阻碍了电导率的提升[12]。对于Al–Mg–Si合金，强度退化通过位错密度降低、织构演变和β''到β'沉淀物粗化来实现[14][15][16][17]。
最近，亚共晶Al–Si合金因其优异的铸造性、成型性、机械性能和高电导率而成为有前景的电缆材料[18][19][20][21][22][23][24][25]。在我们之前的研究[22][23][24][25]中，我们开发了一种改进的热机械处理工艺（M-TMP），包括低温预退火后进行冷拉拔（CD）。这种方法同时提高了亚共晶Al–Si合金AA4043的强度和电导率，电导率提高了28.1%（从50.1%增加到59.2% IACS），抗拉强度（UTS）提高了18.2%（从180.7 MPa增加到231.4 MPa）。这些提升得益于Si纳米沉淀物在超细晶粒（UFG）结构中的形成，从而共同增强了机械性能和导电性。
尽管对传统铝基导体的强度退化机制和电导率变化进行了大量研究[10][11][12][13][14][15][16][17]，但在实际高温服役条件下，新兴导体合金（如UFG亚共晶Al–Si）的强度和电导率同时变化的研究仍不够充分。本研究调查了在90–300°C下不同退火时间处理后的M-TMP制备的AA4043合金线的强度退化、电导率变化和微观结构变化。通过电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM）分析，阐明了控制强度损失和电导率变化的主要机制，重点关注了位错配置、晶界演变和Si纳米沉淀物的行为。观察到的趋势与传统方法制备的导体合金（AA1350和AA8030）的结果进行了比较，突显了AA4043作为下一代高性能铝导体的潜力，适用于电线和电力传输等电气应用。
材料制备和加工方法
材料制备和加工方法
AA4043合金棒是通过Properzi连续铸造和轧制（CCR）工艺生产的，具体过程详见之前的研究[22][23]。合金的化学成分（重量百分比）通过光发射光谱法分析，结果见表1。简而言之，熔融金属首先用Properzi轮浇铸成梯形棒，然后直接输送到在线多辊热轧机组中，生产出直径为9.5毫米的棒材。在我们之前的研究中，我们已经证明了……
退火对机械和电气性能的影响
图2(a–d)显示了电导率（EC）和抗拉强度（UTS）随退火温度和时间的变化。拉拔态的线材初始的抗拉强度和屈服强度分别为235 MPa和210 MPa。这两种性能都随温度升高而降低，尤其是在最初的一小时内。在90°C下退火1小时（P90-1）时，强度基本保持不变（UTS：232.5 MPa，YS：205.3 MPa），但在更高温度下急剧下降，P300-1时抗拉强度降至134 MPa，屈服强度降至74.5 MPa。
拉拔态合金线的强化机制
变形的亚共晶Al–Si合金（拉拔态AA4043线材）的屈服强度（YS）来源于柔软的铝基体和坚硬的共晶Si相的承载能力[39]。为了量化它们对总YS的综合作用，应用了基于混合体等应变规则的本构模型[40][41]，表达式如下：
