摘要
高导电铝合金(工业纯铝、Al-Fe、Al-RE合金)和高强高导电铝合金(Al-Mg-Si合金)具有密度低、电导率高、加工性能好等优点，被分别作为架空输电线路和轨道交通用导电轨等领域的主要导体材料。然而，目前关于铝合金导体材料的相关研究尚存在一些突出问题:(1)材料的强度和电导率存在制约关系，通过控制杂质元素含量、优化主合金元素配比等手段以达到强度和电导率协同匹配的空间已十分有限;(2)铝合金导体材料的服役场景复杂，存在微风振动、线路发热以及服役环境的重工业污染和海洋空气腐蚀等问题，材料较差的阻尼性能、耐热性能和抗腐蚀性能会制约其使用稳定性;(3)在不降低电导率的基础上突破铝合金导体材料的强度极限是目前研究的重点，激光喷丸技术可以提高铝合金的强塑性，但其对强度、电导率和抗腐蚀性能的影响机制尚不明晰。因此，研发高强度、高电导率和优异应用性能的铝合金导体材料具有重要意义。本论文结合湖南省科技重大专项和广东省重点领域研发计划，面向对高性能铝合金导体材料的重大需求，采用对比研究法向工业纯铝和Al-Mg-Si合金中单独和复合添加微量Ce、Sc、Y、Zr 元素，主要研究了 Al-Ce-Sc-Y 和 Al-Mg-Si-Ce-Sc-Y合金强度、电导率和微观组织的关系，阻尼性能、耐热性能和抗腐蚀性能及其影响机制，激光喷丸对高导电铝合金性能和微观组织影响。 采用熔炼→精炼→激冷铸造→高温均匀化→热挤压→拉拔→低温退火工艺，制备出高品质Al-RE合金。微量Ce略微提高了工业纯铝的强度和电导率，因为微米级Al13Fe3Ce和AlCeFeSi相降低了固溶Fe、Si原子的数量;微量Y提高了 Al-Ce合金的电导率，可归因于富集更多Y和Si原子的Al13Fe3Ce相;微量Sc大幅提升Al-Ce合金的拉伸性能，纳米级Al3Sc粒子的析出强化起主要作用;微量Zr对合金拉伸性能的提升作用远不如Sc,且大幅降低合金的电导率。Al-Ce-Sc-Y合金具有亚晶界和位错较少的纤维晶、平均直径更高的共格Al3Sc粒子(13.5±0.9 nm)、数量更多的含Fe、Si微米级第二相，退火态合金的电导率和抗拉强度分别达到61.77％IACS和198 MPa。 研究了Al-RE合金的耐热性能和阻尼性能及其影响机制。工业纯铝和Al-Ce合金的耐热性能最差，高于320℃时会发生再结晶，低于再结晶温度时其阻尼主要来源于位错运动，高温时则为再结晶晶粒的形核和长大过程。Al-Ce-Sc-Y合金具备最优的耐热性能，经400-500℃的高温暴露后，Al3Sc粒子的直径小于40 nm,可以有效抑制合金再结晶，其再结晶温度高于500℃。经500℃/0.5h等温退火后，合金的抗拉强度为132MPa,电导率为61.71％IACS。高温下合金的阻尼主要由位错运动、晶界和亚晶界弛豫构成，由于其稳定的微观结构和较高的位错密度，合金具有优异的阻尼特性。 通过熔炼→精炼→激冷铸造→均匀化→热挤压→固溶→时效工艺，制备出高品质Al-Mg-Si-RE合金。微量Ce使Al-Mg-Si合金晶粒尺寸更细，产生大量微米级AlCeSi和少量AlCeFeSi相，提高合金的强度和电导率。Al-Mg-Si-Ce-Sc合金平均晶粒尺寸上升，β"粒子的数量密度和体积分数下降，强度降低但断后伸长率提高。Al-Mg-Si-Ce-Y合金通过改善β"粒子的尺寸、数量密度和体积分数，Y富集于微米级AlCeSi和Al5FeSi等相中，降低了 β"粒子和固溶原子对电阻率的贡献。Al-Mg-Si-Ce-Sc-Y合金性能最优，峰时效态合金的抗拉强度、断后伸长率和电导率分别为336 MPa、18.4％和53.11％IACS。 研究了 Al-Mg-Si-RE合金的耐热性能和抗腐蚀性能及其影响机制。长时时效后，含Sc的合金具有更多β"粒子和粗化程度更低的β''及B''粒子，增强了合金的耐热性能。微量Ce和Y可以改善合金的抗腐蚀性能，峰时效态Al-Mg-Si-Ce-Y合金中β"粒子的横截面积和长度更高，数量密度更低，含Fe微米级第二相与铝基体的电位差更低，晶界析出相不连续分布且无沉淀析出带宽度更窄。Al-Mg-Si-Ce-Sc-Y合金可以获得最优的应用性能，175℃长时时效120 h后，合金的抗拉强度和电导率分别为295 MPa和55.71％IACS。峰时效态合金点蚀、晶间腐蚀深度和晶间腐蚀脱落晶粒百分比得到显著改善。 采用激光喷丸提高了 Al-Ce-Sc-Y和Al-Mg-Si-Ce-Sc-Y合金的抗拉强度和断后伸长率，而电导率仅略微降低(＜0.35％IACS)。合金表面存在细晶层，近表面由位错胞和滑移线组成，内层由高密度位错和层错组成。双面激光喷丸处理使两侧具有均匀的梯度结构，且位错密度更高。激光喷丸处理后合金在氯化物溶液中点蚀坑的数量、尺寸和深度均降低，可归因于激光喷丸后合金更快的钝化膜形成和修复速度。具有磨抛表面的双面激光喷丸Al-Mg-Si-Ce-Sc-Y合金晶间腐蚀深度最低，且相同深度的晶间腐蚀裂纹更细，腐蚀产物更少。残余压应力和高密度位错有效地增强了厚度方向上合金的晶间结合力。
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