本发明涉及输电工程金具设计与运行维护技术领域，具体而言，涉及一种换流站通电流金具用抗氧化铝镁锰铬铪合金材料及其制备方法。
背景技术：
换流站是直流输电工程的核心组成部分，肩负交、直流电转换的关键任务。电力金具是连接和组合电力系统中各类装置，以传递机械、电气负荷及起到某种防护作用的金属附件。通电流金具是换流站中广泛应用的金具种类，其作用是将换流设备相互连接形成导电通路。基于电流的热效应，通电流金具在运行过程中会产生发热现象。在用电高峰期，通电流金具的发热温度会进一步升高。
目前，换流站通电流金具部分采用铝镁锰铬合金制造。在高温环境中，合金会发生快速氧化，表面生成一层以Al2O3为主要成分的氧化膜。由于固态Al2O3是电的不良导体，金具发生氧化后电阻增加。电阻增加使金具通过相同电流时发热量增加，温度升高。温度升高使金具电阻进一步增加，如此恶性循环，最终导致金具过热熔断，造成电网事故。因此，亟需采用改性处理方法提高铝镁锰铬合金的抗高温氧化性能，从而有效地减轻合金高温快速氧化行为的危害，保证换流站的安全稳定运行，降低换流站的运行和维护成本。
技术实现要素：
鉴于此，本发明提出了一种换流站通电流金具用合金材料及其制备方法，旨在解决现有换流站通电流金具用合金材料的抗高温氧化性能较差容易导致电网事故的问题。
一个方面，本发明提出了一种合金材料，该合金材料按质量百分比由以下组分组成：镁元素4.3％～5.2％，锰元素0.4％～1％，铬元素0.05％～0.25％，铪元素0.05％～0.3％，余量为铝元素。
进一步地，上述合金材料中，该合金材料按质量百分比由以下组分组成：镁元素4.4％～4.8％，锰元素0.5％～0.9％，铬元素0.1％～0.2％，铪元素0.05％～0.15％，余量为铝元素。
本发明提供的合金材料,提高了原铝镁锰铬合金的抗高温氧化性能，能够有效降低由于原金具材料的高温快速氧化现象导致的电网事故发生率，保证了换流站的安全稳定运行，降低了换流站的运行和维护成本。
另一方面，本发明还提出了一种换流站通电流金具，由上述任一项的合金材料制成。该金具采用上述合金材料制成，因此也具有相同的抗高温氧化性能，具有相同的技术效果。
又一方面，本发明还提出了一种合金材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：第一步骤，将原料中的单质铝、锰、铬、铪按照预设比例称重配料后放入坩埚中并置于熔炼设备中，将熔炼设备抽真空至0.08Pa-0.1Pa，向所述熔炼设备内腔充入惰性气体，在保护气氛下进行熔炼，待所述熔炼设备内腔压强达到0.05MPa后开始熔炼至原料达到熔清状态；第二步骤，待原料熔清后，在780℃-820℃下精炼2min～8min，得到第一合金熔液；第三步骤，将所述坩埚内的第一合金熔液倒入锭模内进行浇铸，得到合金锭；第四步骤，将所述合金锭冷却后取出，并与原料中的单质镁按照预设比例称重配料和装料后放入坩埚中并置于熔炼设备中，将熔炼设备抽真空至0.08Pa-0.1Pa，向所述熔炼设备内腔充入惰性气体，在保护气氛下进行熔炼，待所述熔炼设备内腔压强达到0.05MPa后开始熔炼，至原料达到熔清状态后，在650℃-700℃下精炼2min～8min，得到第二合金熔液，并将所述第二合金熔液倒入锭模内进行浇铸，最终得到铝镁锰铬铪合金材料。
根据本发明制备的合金材料,提高了原铝镁锰铬合金的抗高温氧化性能，能够有效降低由于原金具材料的高温快速氧化现象导致的电网事故发生率，保证了换流站的安全稳定运行，降低了换流站的运行和维护成本。
进一步地，上述制备方法中，所述第一步骤中，铝元素、锰元素、铬元素、铪元素占原料的质量百分比分别为：93.25％～95.2％、0.4％～1％、0.05％～0.25％、0.05％～0.3％；所述第四步骤中，镁元素占原料的质量百分比为4.3％～5.2％。
进一步地，上述制备方法中，所述第一步骤中，铝元素、锰元素、铬元素、铪元素占原料的质量百分比分别为：93.95％～94.95％、0.5％～0.9％、0.1％～0.2％、0.05％～0.15％；所述第四步骤中，镁元素占原料的质量百分比为4.4％～4.8％。
进一步地，上述制备方法中，所述惰性气体为氩气、氦气或氖气中的一种或多种。
进一步地，上述制备方法中，所述坩埚为高纯氧化铝坩埚。
进一步地，上述制备方法中，所述第二步骤中，精炼的时间为3min～5min。
进一步地，上述制备方法中，所述第三步骤中，对所述合金熔液进行浇铸的锭模为高纯石墨锭模。
本发明中，首先将铝、锰、铬、铪单质同时进行熔炼获得铸锭，然后将得到的铸锭与镁单质进行二次熔炼，能有效防止镁单质的烧损。与现有技术相比，采用两步熔炼工艺，无需中间合金的加入，既节省原材料，又免去多次熔炼中间合金的繁琐步骤，制备工艺简单且操作易行。
附图说明
图1为本发明实施例提供的合金与未改性前的合金的高温氧化增重曲线。
具体实施方式
为了进一步了解本发明，下面结合实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点而不是对本发明专利要求的限制。
本发明公开了一种合金材料，该合金材料按质量百分比由以下组分组成：镁元素4.3％～5.2％，锰元素0.4％～1％，铬元素0.05％～0.25％，铪元素0.01％～0.5％，余量为铝元素。优选地，该合金材料按质量百分比可以由以下组分组成:镁元素4.4％～4.8％，锰元素0.5％～0.9％，铬元素0.1％～0.2％，铪元素0.05％～0.15％，余量为铝元素
具体地，镁元素、锰元素、铬元素、铝元素、铪元素源自镁、锰、铬、铝、铪的块状单质。本实施例对镁、锰、铬、铝、铪单质的来源没有特别限定，以本领域技术人员所熟知的方法制备或市售的即可。本实施例对镁、锰、铬、铝、铪的纯度不做任何限定，以本领域技术人员熟知的用于制备铝镁锰铬合金的元素纯度即可。本实施例中，铝镁锰铬铪合金中不可避免的还包括杂质元素。本实施例对杂质元素的种类及含量不做任何限定，以本领域技术人员熟知的铝镁锰铬合金中的杂质元素的含量即可。
可以看出，本实施例中的合金材料中由于加入了铪元素，该元素在合金表面的氧化膜和合金基体界面偏聚并形成氧化物栓，该氧化物栓深入铝合金基体中，通过钉扎作用提高了氧化膜的抗剥落能力。同时活性元素铪离子在向外扩散过程中挤占了Al离子的外扩散通道且扩散速率低于Al离子，从而阻碍了Al离子的外扩散，降低了合金表面氧化膜的生长速率，提高了原铝镁锰铬合金的抗高温氧化性能。
本发明还提供了一种换流站通电流金具，由本发明上述的合金材料制成。
将本实施例提供的合金材料用在换流站通电流金具的制作中，能够有效降低由于原金具材料的高温快速氧化现象导致的电网事故发生率，保证了换流站的安全稳定运行，降低了换流站的运行和维护成本。
本发明还提供了一种换流站通电流金具用合金材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
第一步骤，将原料中的单质铝、锰、铬、铪按照预设比例称重配料后放入坩埚中并置于熔炼设备中，将熔炼设备抽真空至0.08Pa-0.1Pa，向熔炼设备内腔充入惰性气体，在保护气氛下进行熔炼，待熔炼设备内腔压强达到0.05MPa后开始熔炼至原料达到熔清状态。
具体地，原料可以由块状单质铝、锰、铬、铪组成的混合物。装料过程中可以采用耐高温、耐化学腐蚀的坩埚，例如，氧化铝坩埚。优选地，可以采用高纯氧化铝坩埚进行装料，即氧化铝含量大于99％的坩埚。坩埚的规格可以根据具体情况进行确定，本实施例对其不做任何限定。熔炼设备可以为真空感应炉，真空感应炉的型号可以根据实际情况进行确定，本实施例对其不做任何限定。惰性气体可以为氩气、氦气或氖气中的一种或多种，以防止合金在高温状态下的氧化。具体实施时，熔炼时，真空熔炼炉的功率可以为20KW。
第二步骤，待原料熔清后，在780℃-820℃下精炼2min～8min得到第一合金熔液。优选地，精炼的时间可以为3min～5min。具体实施时，可以对合金熔液进行电磁搅拌，使合金熔液达到均匀状态。
第三步骤，将坩埚内的第一合金熔液倒入锭模内进行浇铸，得到合金锭。具体实施时，切断所述熔炼设备的电源后对合金熔液进行浇铸，对合金熔液进行浇铸的锭模可以为高纯石墨锭模。
第四步骤，将合金锭冷却后取出，并与原料中的单质镁按照预设比例称重配料和装料后放入坩埚中并置于熔炼设备中，将熔炼设备抽真空至0.08Pa-0.1Pa，向熔炼设备内腔充入惰性气体，在保护气氛下进行熔炼，待熔炼设备内腔压强达到0.05MPa后开始熔炼，至原料达到熔清状态后，在650℃-700℃下精炼2min～8min，得到第二合金熔液，并将第二合金熔液倒入锭模内进行浇铸，最终得到铝镁锰铬铪合金材料。优选地，该步骤中，精炼的时间可以为3min～5min。具体地，合金锭取出前，向熔炼设备内腔充入空气以破除真空状态。
本实施例中，原料中单质铝、锰、铬、铪、镁的重量配比需要满足以下条件：第一步骤中，铝元素、锰元素、铬元素、铪元素占原料的质量百分比分别为：93.25％～95.2％、0.4％～1％、0.05％～0.25％、0.05％～0.3％；第四步骤中，镁元素占原料的质量百分比为4.3％～5.2％。优选地，第一步骤中，铝元素、锰元素、铬元素、铪元素占原料的质量百分比分别为：93.95％～94.95％、0.5％～0.9％、0.1％～0.2％、0.05％～0.15％；第四步骤中，镁元素占原料的质量百分比为4.4％～4.8％。具体实施时，在选取各元素的单质时，可以选择使得铝元素、锰元素、铬元素、铪元素、镁元素的百分比在上述范围内的纯度较高的单质。例如，1000g的原料中，铝单质、锰单质、铬单质、铪单质、镁单质的质量可以分别为：939.5g、9g、2g、1.5g、48g或949.5g、5g、1g、0.5g、44g等。
本发明实施例提供的制备方法，首先将铝、锰、铬、铪单质同时进行熔炼获得铸锭，然后将得到的铸锭与镁单质进行二次熔炼，二次熔炼时精炼温度控制在650℃-700℃，降低了精炼温度，能有效防止镁单质的烧损。与现有技术相比，采用两步熔炼工艺，无需中间合金的加入，既节省原材料，又免去多次熔炼中间合金的繁琐步骤，制备工艺简单且操作易行。
为了进一步说明本发明实施例提供的换流站通电流金具用合金材料及其制备方法，以下结合具体实施例对本发明进行更为详细的说明：
实施例1
分别称取939.5g、9g、2g和1.5g块状单质铝、锰、铬、铪进行配料；采用高纯氧化铝坩埚先将上述块状单质铝、锰、铬、铪装料并放入熔炼设备的内腔中，将熔炼设备内腔抽真空至0.08Pa；向熔炼设备内腔充入氩气，并使熔炼设备内腔压强达到0.05Mpa后，以20KW的功率向熔炼设备送电对原料进行熔炼；待原料熔清后，在780℃下精炼2min后得到合金熔液；切断熔炼设备电源，采用高纯石墨锭模浇铸合金熔液后得到合金锭；向熔炼设备内腔充入空气破真空，待合金锭冷却后取出。将熔炼好的合金锭与48g块状单质镁称重配料和装料后放入坩埚中并置于熔炼设备中，将熔炼设备抽真空至0.1Pa，向熔炼设备内腔充入惰性气体，在保护气氛下进行熔炼，待熔炼设备内腔压强达到0.05MPa后开始送电熔炼，至原料达到熔清状态后，在650℃下精炼3min，得到第二合金熔液，并将第二合金熔液倒入锭模内进行浇铸，最终得到铝镁锰铬铪合金材料。
实施例2
分别称取949.5g、5g、1g和0.5g块状单质铝、锰、铬、铪进行配料；采用高纯氧化铝坩埚将上述各块状单质装料并放入熔炼设备的内腔中，将熔炼设备内腔抽真空至0.09Pa；向熔炼设备内腔充入空气，并使熔炼设备内腔压强达到0.05Mpa后，以20KW的功率向熔炼设备送电对原料进行熔炼；待原料熔清后，在800℃下精炼8min后得到合金熔液；切断熔炼设备电源，采用高纯石墨锭模浇铸合金熔液后得到合金锭；向熔炼设备内腔充入空气破真空，待合金锭冷却后取出。将熔炼好的合金锭与44g块状单质镁称重配料和装料后放入坩埚中并置于熔炼设备中，将熔炼设备抽真空至0.09Pa，向熔炼设备内腔充入惰性气体，在保护气氛下进行熔炼，待熔炼设备内腔压强达到0.05MPa后开始送电熔炼，至原料达到熔清状态后，在675℃下精炼5min，得到第二合金熔液，并将第二合金熔液倒入锭模内进行浇铸，最终得到铝镁锰铬铪合金材料。
实施例3
分别称取932.5g、10g、2.5g和3g块状单质铝、锰、铬、铪进行配料；采用高纯氧化铝坩埚将上述各块状单质装料并放入熔炼设备的内腔中，将熔炼设备内腔抽真空至0.1Pa；向熔炼设备内腔充入氖气，并使熔炼设备内腔压强达到0.05Mpa后，以20KW的功率向熔炼设备送电对原料进行熔炼；待原料熔清后，在820℃下精炼5min后得到合金熔液；切断熔炼设备电源，采用高纯石墨锭模浇铸合金熔液得到合金锭；向熔炼设备内腔充入氮气破真空，待合金锭冷却后取出。将熔炼好的合金锭与52g块状单质镁称重配料和装料后放入坩埚中并置于熔炼设备中，将熔炼设备抽真空至0.1Pa，向熔炼设备内腔充入惰性气体，在保护气氛下进行熔炼，待熔炼设备内腔压强达到0.05MPa后开始送电熔炼，至原料达到熔清状态后，在700℃下精炼8min，得到第二合金熔液，并将第二合金熔液倒入锭模内进行浇铸，最终得到铝镁锰铬铪合金材料。
实施例4
分别称取952g、4g、0.5g和0.5g块状单质铝、锰、铬、铪进行配料；采用高纯氧化铝坩埚将上述各块状单质装料并放入熔炼设备的内腔中，将熔炼设备内腔抽真空至0.1Pa；向熔炼设备内腔充入氖气，并使熔炼设备内腔压强达到0.05Mpa后，以20KW的功率向熔炼设备送电对原料进行熔炼；待原料熔清后，在800℃下精炼3min后得到合金熔液；切断熔炼设备电源，采用高纯石墨锭模浇铸合金熔液得到合金锭；向熔炼设备内腔充入氮气破真空，待合金锭冷却后取出。将熔炼好的合金锭与43g块状单质镁称重配料和装料后放入坩埚中并置于熔炼设备中，将熔炼设备抽真空至0.08Pa，向熔炼设备内腔充入惰性气体，在保护气氛下进行熔炼，待熔炼设备内腔压强达到0.05MPa后开始送电熔炼，至原料达到熔清状态后，在700℃下精炼2min，得到第二合金熔液，并将第二合金熔液倒入锭模内进行浇铸，最终得到铝镁锰铬铪合金材料。
将按照实施例1-4制备的铝镁锰铬铪合金试样与现有技术中的铝镁锰铬试样，根据标准HB 5258-2000《钢及高温合金的抗氧化性测定试验方法》的规定在相同试验条件下进行高温氧化试验，试验结果如图1所示，可以看出，按照实施例1-4制备的铝镁锰铬铪合金试样的氧化膜生长速率明显低于现有技术中的铝镁锰铬试样，其抗高温氧化性能优于现有技术中的铝镁锰铬试样。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。