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研究背景
电缆主要由金属线芯、绝缘层、屏蔽层和护套构成，其中的金属线芯不仅要具备较高的导电率，还需具备一定的强度和抗蠕变能力。以铝代铜是当前航空电缆线芯的主要发展趋势，可使飞机大幅减重，从而降低油耗和提高有效载荷。铝线芯一般由电工圆铝杆经连续拉拔成直径小于1mm的单丝后绞合而成，应变量大且中间不退火，要求铝杆不仅要有良好的力学性能，还要有较好的加工性能，保证拉拔时不断丝。高纯铝具有优异的导电率和良好的成形性，但强度较低，拉丝时易断线，严重影响线芯生产效率和成材率。添加适量Fe、Si，可在保证导电率的前提下提升铝的强度和抗蠕变性能，从而满足飞机电缆的服役要求。本文结合电子背散射衍射、扫描探针显微镜等微观组织表征手段研究了微量Fe、Si对1xxx系合金动态再结晶行为和织构组分的影响，通过纳米压痕形貌观察研究了合金的蠕变性能，探明了铝导电杆强度、导电率和抗蠕变性能的变化规律。
文章亮点
研究了Fe、Si对电工圆铝杆晶粒尺寸和织构组分的影响机理，揭示了铝导电杆的动态再结晶行为，结合纳米压痕试验分析了铝导电杆的蠕变行为，探明了铝导电杆强度、导电率和抗蠕变性能的变化规律，为制备兼顾强度、导电率、抗蠕变性能的航空铝电缆线芯提供参考和理论依据。
图文解析
图1所示为两种成分合金的纵截面法向EBSD取向图和沿挤压方向的反极图。由图1(a)和(c)可以看出，99.98%Al和Al-0.1Fe-0.1Si合金均由等轴状晶粒组成，且均发生了明显的动态再结晶；相比99.98%Al，Al-0.1Fe-0.1Si合金的晶粒尺寸显著降低，平均晶粒尺寸由86 μm减至32 μm。由图1(b)和(d)可以看出，99.98%Al的织构强度较弱，最高强度仅为3.20，主要包含〈001〉和〈111〉丝织构，且〈001〉强度略高于〈111〉丝织构；添加Fe、Si后，以〈111〉丝织构为主，织构最高强度增大至10.37，这主要与Fe、Si对立方织构{001}〈100〉的削弱有关。因此，Fe、Si能够降低铝导电杆的晶粒尺寸，使织构组分由弱〈001〉+〈111〉双织构向强〈111〉织构转变。
图1 两种成分合金的EBSD取向图和反极图
(a), (b) 99.98%Al; (c), (d) Al-0.1Fe-0.1Si
图2所示为两种成分合金的SEM像。由图2(a)可以看出，99.98%Al 中未出现明显的第二相，而Al-0.1Fe-0.1Si合金中存在较多沿挤压方向(ED)分布的第二相，如图2(b)所示，热挤压导致第二相破碎，主要以球状和块状相形式存在。对图2(b)箭头所示区域进行EDS分析，结果如表2所示，Al-0.1Fe-0.1Si合金中第二相有较为明显的Fe、Si富集，形成含Al、Fe和Si的相。
图2 两种成分合金的SEM像: (a) 99.98%Al; (b)Al-0.1Fe-0.1Si
图3所示为两种成分合金的TEM照片。由图3(a)可以看出，99.98%Al晶界处较为干净，晶内仅有少量位错分布，由图3(b)和(c)可以看出，Al-0.1Fe-0.1Si合金晶界处分布位错及少量位错缠结，可以观察到1μm大小的粗大第二相、弥散分布于铝基体中的纳米级第二相，且在第二相周围存在位错富集。图3(d)所示为图3(c)中粗大相的高角环形暗场像(HAADF)，对图中粗大第二相和纳米级第二相(白色箭头所示)分别进行面扫描，结果如图3(e)和(f)所示，可以看出粗大第二相为Al-Fe相，纳米级第二相为Al-Fe-Si相。由粗大相的选区电子衍射结果可知，粗大相为Al13Fe4相。
图3 两种成分合金的TEM照片
(a) 99.98%Al的TEM照片; (b)(c)(d) Al-0.1Fe-0.1Si的TEM照片及粗大相的HAADF像; (e)-(e3) 粗大第二相的TEM像及对应的面扫照片; (f)-(f3) 纳米第二相的TEM像及对应的面扫照片
图4所示为两种成分合金的再结晶分布图和统计图，蓝色部分代表再结晶组织，黄色部分代表亚结构，红色部分代表变形组织。99.98%Al热挤压时发生了较为明显的动态再结晶，如图4(a)和(b)所示，再结晶组织所占比例高达81.0%。添加Fe、Si后，如图4(c)和(d)所示，变形组织和亚结构所占比例分别增大至0.6%和26.6%，再结晶组织所占比例降低至72.8%，表明 Fe、Si 能够抑制铝在热挤压中的动态再结晶。
图4 两种成分合金的再结晶分布图和统计图
(a), (b) 99.98%Al; (c), (d) Al-0.1Fe-0.1Si
图5所示为Al-0.1Fe-0.1Si合金的衍射质量(Band Contrast)图。图5(a)为沿纵截面法向的带对比度图，径向晶粒尺寸存在较为明显的差异，呈现周期性交替分布。对图5(a)中标注区域A、B分别进行步长2μm的扫描，得到图5(b)和(c)所示的带对比度图，图中红色的第二相均为粗颗粒，主要沿晶界和亚晶界分布，其集中分布区域的晶粒尺寸较小，与粒子激发形核(Particle stimulated nucleation, PSN)作用有关。
图5 Al-0.1Fe-0.1Si合金的衍射质量图: (a) Al-0.1Fe-0.1Si; (b) Area A; (c) Area B
图6所示为对图5(b)中标注区域C进行步长0.2μm扫描得到的再结晶分数图。图6中黑色部分为第二相，由于步长较小，图中可视黑色点状相为细颗粒，黑色长条状相为粗颗粒，粗颗粒集中分布区域为再结晶组织，细颗粒集中分布区域为亚结构组织。粗颗粒和细颗粒对动态再结晶的作用相反，粗颗粒促进动态再结晶，细颗粒抑制动态再结晶。
图6 Al-0.1Fe-0.1Si合金的再结晶分布图
图7所示为两种成分合金纳米压痕形貌的SPM像，在相同加载载荷和加载速率下，Al-0.1Fe-0.1Si合金在恒载荷下的局部塑性变形较小，压痕面积和压痕周围的局部堆积量明显低于99.98%Al，最大压入深度和最大堆积高度分别从851.8 nm和485.6 nm减至706.4 nm和384.4 nm，表明Fe、Si能够提高铝导电杆的变形抗力。
图7 两种成分合金纳米压痕形貌的SPM像: (a) 99.98%Al; (b)Al-0.1Fe-0.1Si
图8 两种成分合金的F−h和hc−t曲线: (a) F−h; (b) hc−t
研究结论
团队介绍
中南大学李红英教授团队，长期从事先进铝合金和高性能钢铁材料研究，主攻航空航天、电力输送、油气开采和输送用关键材料研制及工程应用。团队研发的系列高性能材料已应用于多种航空航天飞行器和多个国内外重大能源工程，满足了飞行器轻量化需求和极端工况能源输送的服役要求，为优化能源结构和保障国家能源安全发挥了重要作用。团队负责人李红英教授为享受国务院特殊津贴专家，第十五届光华工程科技奖获得者，获国家科技进步二等奖1项(排第1)，获省级和行业科学技术进步奖一等奖8项(5项排第1，3项排第2) ，获湖南省教学成果奖3项。
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消息来源：中国有色金属学报
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