一种高导电耐热铝合金及其制备方法

本发明公开涉及高导电耐热铝合金，尤其涉及一种高导电耐热铝合金及其制备方法。

背景技术：

1、随着我国东西部电力能源传输网的逐步完善、新能源汽车、5g通讯等行业的迅速发展，人们越来越重视导电材料的小型化、轻量化和集成化。因此，对材料的综合性能要求越来越高，不仅要求材料具有优良的力学性能，而且要求材料具有良好的导电性能和耐热性能。由于铝合金密度小、导电性能良好，且铝元素是地球储量最丰富的金属元素，冶炼成本相较于铜等贵金属要低很多，因此被广泛应用于电力电工行业、汽车、航空航天领域。

2、对铝进行合金化处理是目前强化铝合金的重要手段，合金化处理中加入mg、si、cu等元素可以显著提高合金的力学性能。但是，根据马西森定律以及实际生产生活发现，合金强度与合金的导电率呈反相关关系。近几年不少新能源汽车的电池外壳以及动力传输电缆，电机转子等材料也逐渐应用一些导电性能优异的铝合金。然而，这些材料的导电性以及耐热性不得不像强度让步，由此造成的新能源汽车自燃、长距离电力运输过程中电缆在较差服役条件下起火的现象时有发生，故如何克服铝合金强度与电导率之间相互制约的困难，在保证导电率的同时，平衡好铝合金的力学性能、成型性能以及耐热性能，亟待解决。

3、现有的耐热导电铝合金导电率常温通常在57%iacs以上，然而这却大大牺牲了其抗拉强度，其强度一般为100mpa-120mpa，且服役温度在280℃以下，伸长率在1.5%-2%之间，这不能满足当前所需，针对上述技术问题，近年来国内外研究人员在铝基复合材料及微合金化铝合金领域开展了大量研究工作。例如，专利文献cn201910577786.6公开了一种原位合成石墨烯增强铝基复合材料的制备方法，该方法通过原位反应制备石墨烯，获得的铝基复合材料电导率和抗拉强度相较于纯铝均得到提升，但该专利主要关注石墨烯的均匀分散问题，未涉及硼化净化处理，也未引入zr、sc、er等微合金元素进行协同强化。专利文献cn202410306064公开了一种石墨烯/铝复合材料导体及其制备方法，该方案通过石墨烯与铝的物理结合协同提高导电率，经定向排列处理后电导率可达67% iacs，但该专利中石墨烯添加量高达1%~10%，且未对铝合金基体进行系统合金化处理，其力学性能仍有提升空间。然而，该方法涉及的制备工艺复杂，不利于大规模工业化生产。此外，学术研究也表明，向铝合金中添加石墨烯虽可同时改善强度和导电性，但受限于石墨烯的团聚问题和界面反应问题，导电率提升幅度有限。

4、在微合金化铝合金方面，专利文献cn106834814a公开了一种高导耐热耐蚀的铝合金导线，其组分包括er、sc、zr及si等元素，通过工艺与组分的协同作用使电导率达61.8%iacs以上、抗拉强度达180 mpa以上，但其并未引入石墨烯等碳材料进行复合强化。研究文献表明，在al-zr-sc合金中添加er可促进zr和sc的析出，形成具有核-双壳结构的al3(er,sc,zr)相，从而提高合金的时效响应速率和电导率，但此类合金的电导率普遍难以突破纯铝的理论导电率上限，且sc的过量添加会导致成本显著升高。另有专利文献cn202311537476.4公开了一种耐热铝合金导线材料，通过er、sc和zr的联合使用并搭配三级时效热处理，获得了具有双核壳结构的al3(sc,zr,er)析出相，综合性能优异，但该方案同样未涉及碳材料的复合添加，其导电性能的进一步提升受到固溶原子引起的晶格畸变制约。此外，三级时效处理工艺不仅大幅增加企业生产成本，也降低了生产效率。

5、综上，考虑现有普通熔铸技术中单纯添加石墨烯等碳材料的铝基复合材料虽然导电率较高，但力学性能不足；单纯采用微合金化处理的铝合金虽然强度较好，但导电率受限于合金元素固溶引起的晶格畸变；将石墨烯与多种微合金元素协同添加，并通过传统机械搅拌铸造在较高石墨烯添加量下仍实现均匀分散的方法，目前仍鲜见报道；本发明正是针对上述技术难题，通过将石墨烯与b、zr、er、sc等元素协同加入工业纯铝中，并配合优化的热处理工艺，同时利用硼化处理净化基体、石墨烯构建金属-非金属复合导电通道、zr/er/sc形成纳米级强化相，在提升导电率的同时兼顾力学性能和耐热性能，实现了现有技术未能达到的技术效果。

技术实现思路

1、鉴于此，本发明提供了一种高导电耐热铝合金及其制备方法，以提供一种具有良好力学性能、导电性能以及耐热性能的铝合金。

2、一方面，本发明提供了一种高导电耐热铝合金，包括：基于所述铝合金的总质量，按照质量百分比计，所述铝合金包括：b：0.2%~0.5%，sc：0~0.3 %，er：0.2%～0.5%，石墨烯/石墨/碳纳米管：0.1%～3%，zr：0.1%~0.25 %，余量是工业纯铝以及其中不可避免的杂质，单个杂质元素≤0.05%，杂质总量≤0.25%。

3、优选地，所述不可避免的杂质包括fe、si、ti、v、cr、mn中的一种或多种，其中fe≤0.03%、si≤0.02%。

4、优选地，所述铝合金为经固溶处理和时效处理后的热处理态，且满足以下条件的至少一种：抗拉强度≥195mpa，屈服强度≥120mpa，延伸率≥6.5%，导电率≥61%iacs。

5、优选地，所述石墨烯为单层石墨烯。

6、第二方面，本发明还提供了所述高导电耐热铝合金的制备方法，包括如下步骤：

7、将工业纯铝、含b原料、和/或含sc原料、和/或含er原料、和/或含zr原料、石墨烯/石墨/碳纳米管加热融化，得到均匀合金熔体；

8、对所述合金熔体进行浇铸处理，冷却得到铸态铝合金；

9、对所述铸态铝合金依次进行固溶处理、时效处理，得到成品铝合金。

10、优选地，将工业纯铝进行升温熔炼，加入含b原料、和/或含sc原料、和/或含er原料、和/或含zr原料并加热融化，得到第一合金熔体；

11、向所述第一铝熔体中加入石墨烯/石墨/碳纳米管，氩气保护的氛围下，通过电动搅拌均匀，得到所述均匀合金熔体。

12、优选地，制备第一合金熔体时的加热温度为680-750℃，制备所述均匀合金熔体时的加热温度为640-660℃。

13、优选地，所述固溶处理具体为：在540-600℃条件下保温2-12h；所述时效处理为230-430℃条件下保温2-12h。

14、优选地，所述的高导电耐热铝合金的制备方法，经固溶处理和时效处理后，所述成品铝合金的抗拉强度≥195 mpa，导电率≥61% iacs，且在280℃保温100小时后强度残余率≥90%。

15、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

16、本发明通过优化多元微合金化设计，利用b、sc、er、zr与碳纳米材料（石墨烯/石墨/碳纳米管）的协同作用，结合适配的熔炼铸造及热处理工艺，制备了兼具高电导率与优异耐热性能、力学性能的铝合金。本发明的合金在电导率大幅提升的同时，力学性能与耐热稳定性得到同步增强，有效解决了传统高导电铝合金“导电与强度、耐热性难以兼顾”的技术痛点。具体而言：

17、1.高效硼化净化，实现除杂与保性双赢：本发明控制b元素含量为0.2~0.5%，能够高效去除工业纯铝中ti、v、cr等杂质元素：b与这些杂质反应生成高熔点硼化物沉淀，大幅降低杂质原子对电子的散射作用，从源头提升合金电导率。同时，将b含量限定在合理区间内，可避免过量b形成粗大硼化物相，既保证了优异的除杂效果，又不会因第二相过多而损害合金的塑性与导电性能，实现了“高效除杂+性能无损”的双重效果。

18、2.稀土与过渡族元素协同强化，突破强度与导电率对立瓶颈：本发明控制sc含量为0~0.3%、er含量为0.2%~0.5%、zr含量为0.1%~0.25%，三者能够在铝基体中协同析出纳米级al3(sc,zr,er)弥散强化相。该相具有与al基体共格、热稳定性优异的特点，可有效钉扎晶界与位错，显著提升合金的室温强度与高温耐热性能，解决了工业纯铝强度不足、高温易软化的问题。通过严格控制各元素添加量在较低水平，避免了过量稀土/过渡族元素导致的电子散射加剧，在实现强化的同时最大程度保留了合金的高电导率，突破了传统铝合金“强度提升必然牺牲导电率”的瓶颈。

19、3.碳纳米材料构建导电网络，实现导电与力学协同增强：本发明添加0.1%~3%的石墨烯/石墨/碳纳米管，利用碳纳米材料超高的导电率与力学性能，在铝基体中形成连续导电网络，进一步提升合金整体电导率；同时碳纳米材料可作为异质形核核心，细化铸态晶粒，增强晶界结合力，同步提升合金的强度、塑性与耐热稳定性。通过将添加量控制在合理区间，有效避免了碳纳米材料团聚所导致的性能劣化，实现了“导电增强+力学强化”的协同效应。

20、4.严格限制杂质含量，保障合金纯净度与服役可靠性：本发明严格控制杂质元素，使单个杂质元素≤0.05%、杂质总量≤0.25%，最大限度减少了fe、si等杂质元素形成的粗大金属间化合物，避免了杂质相对电子的散射以及对晶界的割裂作用，既保证了合金的高电导率，又提升了合金的塑性与力学性能，为合金的长期稳定服役提供了可靠基础。

21、5.适配的熔炼工艺，兼顾组织均匀性与工业化生产：本发明采用适配的熔炼工艺，能够保证b、sc、er、zr等微合金元素与碳纳米材料在铝液中均匀分散，避免元素偏析与碳纳米材料团聚；同时通过合理的熔炼温度控制，减少了合金元素的烧损，保证了成分的精准性，使合金组织均匀、性能稳定，适用于大规模工业化生产，实现了高性能与量产性的统一。