The microstructure, mechanical and electrical properties of Al-based immiscible alloys after severe plastic deformation and annealing

Aluminum-based immiscible alloys, such as Al-Fe and Al-RE (rare earth) alloys, have attracted increasing attention for high-temperature (150 ℃ - 300 ℃) conductor applications due to their excellent electrical conductivity and thermal stability. However, their as-cast mechanical strength remains low, limiting practical application. Severe plastic deformation (SPD) has emerged as an effective strategy to enhance the mechanical performance of such alloys. In this study, High-Pressure Torsion Extrusion (HPTE), a novel SPD process enabling continuous and large-scale sample deformation, is applied to Al-3.5 (Ce, La) (2.2 wt. % Cerium, 1.3 wt. % Lanthanum) and Al-2.5 wt. % Fe (Al-2.5 Fe) alloys. A systematic investigation is conducted on microstructure evolution, the mechanical properties, and the electrical conductivity of Al-3.5 (Ce, La) and Al-2.5 Fe alloys processed by HPTE and subsequent annealing. The results demonstrate that the yield strength of the Al-3.5 (Ce, La) alloy increases from 82 MPa to 214 MPa, while the Al-2.5 Fe alloy exhibits an improvement from 110 MPa to 268 MPa following HPTE processing. Both alloys exhibit good thermal stability, maintaining high yield strength after annealing at temperatures up to 230 ℃. The electrical conductivity of the Al-3.5 (Ce, La) alloy increases from 54.7% IACS in the as-cast state to 55.7% IACS, while in the Al-2.5 Fe alloy, it is improved even more significantly from 37.3% IACS to 44.7% IACS. The improvements of both mechanical and electrical properties are attributed to the HPTE-induced grain refinement, the fragmentation of the intermetallic phase network into nano- and micron-scale particles, and an increased dislocation density. This study highlights the potential of HPTE-processed Al-based immiscible alloys as lightweight, thermally stable, and electrically conductive materials, paving the way for advanced applications in power transmission systems.

Aluminiumbasierte, nicht mischbare Legierungen wie Al-Fe- und Al-SE-(Seltenerde)-Legierungen haben aufgrund ihrer hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit und thermischen Stabilität zunehmende Aufmerksamkeit für Anwendungen als Hochtemperaturleiter (150 °C-300 °C) erhalten. Ihre mechanische Festigkeit im Gusszustand bleibt jedoch gering, was die praktische Anwendung einschränkt. Eine effektive Strategie zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften solcher Legierungen stellt die Anwendung von starker plastischer Verformung (Severe Plastic Deformation, SPD) dar. In dieser Studie wurde die Hochdruck-Torsionsextrusion (High-Pressure Torsion Extrusion, HPTE), ein neuartiges SPD-Verfahren, das eine kontinuierliche und großvolumige Verformung ermöglicht, auf Al-3,5 (Ce, La) (2,2 Gew.-% Cer, 1,3 Gew.-% Lanthan) und Al-2,5 Gew.-% Fe-Legierungen (Al-2,5 Fe-Legierungen) angewendet. Die Mikrostrukturentwicklung, die mechanischen Eigenschaften und die elektrische Leitfähigkeit der HPTE-behandelten Al-3,5 (Ce, La)- und Al-2,5 Fe-Legierungen wurden systematisch untersucht, einschließlich anschließender Wärmebehandlungen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Streckgrenze der Al-3,5 (Ce, La)-Legierung von 82 MPa auf 214 MPa ansteigt, während die Al-2,5 Fe-Legierung eine Erhöhung von 110 MPa auf 268 MPa aufweist. Beide Legierungen zeigen eine gute thermische Stabilität, wobei sie nach dem Glühen bei Temperaturen bis zu 230 °C eine hohe Streckgrenze beibehalten. Die elektrische Leitfähigkeit der Al-3,5 (Ce, La)-Legierung steigt vom Gusszustand mit 54,7 % IACS auf 55,7 % IACS an, während sie bei der Al-2,5 Fe-Legierung deutlich von 37,3 % IACS auf 44,7 % IACS verbessert wird. Diese Verbesserungen der mechanischen und elektrischen Eigenschaften werden auf durch HPTE induzierte Kornfeinung, die Fragmentierung des intermetallischen Phasennetzwerks in nano- und mikroskalige Partikel sowie auf eine erhöhte Versetzungsdichte zurückgeführt. Diese Studie unterstreicht das Potenzial HPTE-behandelter aluminiumbasierter, nicht mischbarer Legierungen als leichte, thermisch stabile und elektrisch leitfähige Werkstoffe für fortschrittliche Anwendungen in der elektrischen Energieübertragung.