Kuinka varmistaa metallitulostusmateriaalien lämmönjohtavuus?

一, Materiaalijärjestelmä: Lämmönjohtavuuden yläraja määritetään luontaisilla ominaisuuksilla
Metallimateriaalien atomirakenne ja elektroniset liikeominaisuudet määrittävät niiden lämmönjohtavuuden. Hopea (AG) ja kupari (Cu) ovat kaksi lämpöä johtavaa puhdasta metallia, kun taas alumiini (AL) on saavuttanut suosionsa ilmailu- ja avaruusteollisuudessa sen kevyen luonteensa vuoksi. Seostaminen on noussut ratkaisevaksi strategiaksi yleisen suorituskyvyn parantamiseksi, koska yksi metalli on haastavaa tyydyttää monimutkaisten toimintaolosuhteiden vaatimukset.
1. Seokset, jotka perustuvat kupariin: tasapainon saavuttaminen lujuuden ja hyvän lämmönjohtavuuden välillä
Cr2nb-laves-faasivahvistuksen lisääminen NASA: lle - kehitti grcop - 42 (Cu-4CR-2NB) ja GRCOP-84 (CU-8CR-4NB) kupari-seokset lisäävät heidän vetolujuuttaan yli 400MPA: lle, kun heidän puhtaan kupionsa lämpötilansa. Verrattuna tavanomaisiin kupariseoksiin, kokeelliset tiedot osoittavat, että GRCOP-42: llä, joka on tuotettu käyttämällä laserjauhekerroksen sulamisprosessia (L-PBF), on 15%: n lisääntyminen lämmönjohtavuudessa ja se voi ylläpitää vakaan lämmönjohtavuutta lämpötiloissa 500–800 asteessa. Tämän materiaalin tärkeimmät edut, joita on käytetty laajasti rakettimoottorien regeneratiivisessa jäähdytyskammiossa, ovat:
Mikrorakenteen hallinta: L - PBF -prosessin korkea jäähdytysnopeus (10 ⁴ -10 ⁶ K/s) vähentää elektronien liikkeen sirontaa puhdistamalla CR2NB -vaiheen koko nanomittakaasolle;
Koostumuksen yhtenäisyys: estämällä paikallisen segregaation aiheuttamat lämmönjohtavuusvaihtelut, kaasun sumutusjauhetekniikka takaa CR- ja NB -elementtien tasaisen jakautumisen kuparimatriisissa.
2. Alumiiniin perustuvat seokset: lämmönjohtavuuden ja kevyen yhdistelmä
3D -tulostuksessa laajimmin käytetty alumiiniseos on ALSI10MG, jonka lämmönjohtavuus on noin 120 W/(M · K). Sen tiheysetu 2,7 g/cm³ tekee siitä täydellisen materiaalin uusille energiaajoneuvojen akkupattereille ja satelliittilämpöhallintajärjestelmille. Seuraavia strategioita voidaan käyttää maksimoimaan ALSI10MG -komponenttien lämmönjohtavuus, joka on valmistettu käyttämällä selektiivistä laserisulatusta (SLM):
Jauhehiukkaskoon hallinta: Käyttämällä hienoa 15–45 μm: n jauhetta voi lisätä lämmönjohtavuutta 10%, vähentää huokoisuutta ja parantaa sulasaltaan juoksevuutta;
Lämpökäsittelymenettely: Nanomittakaavan Si -faasi voidaan saostaa T6 -kiinteä liuoksella plus ikääntymiskäsittely, parantaa kovuutta ja stabiloi lämmönjohtavuutta 115–125W/(M · K).
2, Prosessin parametrit: Lämpöjohtavuuden hallinta mikrorakenteen avulla
Itse materiaalin lisäksi prosessiparametrien syvyys vaikuttaa myös metallin 3D -tulostuksen lämmönjohtavuuteen. Muutamalla sulapoolin, jäähdytysnopeuden ja jäännösjännityksen jakautumisen muotoa, esimerkiksi muuttujat, kuten laservoima, skannauksenopeus ja kerroksen paksuus, vaikuttavat suoraan komponentin lämmönjohtavuuteen L - PBF -prosessissa.
1. Laserparametrien optimointi: Sula -altaan stabiilisuus ja lämmönjohtavuusreitti ovat tasapainossa.
NASA: n tutkijat löydettiin tulostaessaan GRCOP-42-kupariseoksen, joka:
Laserin voima: Sulan poolin leveys kasvaa 20%, kun virtaa nostetaan 200W: stä 300 W: iin. Toisaalta, jos levitetään liikaa energiaa, kuparielementit voivat haihtua, luomalla mikrohuodot ja alentaa lämmönjohtavuutta 8%;
Scanning speed: increasing the speed from 800 mm/s to 1200 mm/s results in a 15% increase in interlayer bonding strength, a refinement of the Cr2Nb phase size to less than 50 nm, and a 12% increase in thermal conductivity. The cooling rate also increases from 10 ⁵ K/s to 10 ⁶ K/s. A 20% reduction in equivalent thermal conductivity can occur from overly thick layer thicknesses (>100 μm), joka voi estää lämmön kulkua kerrosten välillä.
2. Monimateriaalinen tulostus: lämmönjohtavuuden tarkka hallinta vuorovaikutuksessa
Yksi tärkeimmistä pullonkauloista tulostaessa teräskupari kaksoismateriaalikomponentteja on lämmönjohtavuus rajapinnassa. Tutkimukset paljastavat, että:
Liitäntäparametrien suunnittelu: Terä diffuusio teräsllä - kuparirajapinta voidaan lisätä 50% muuttamalla laserenergiatiheyttä välillä 50J/mm³ - 80J/mm³. Ikääntyvä lämpökäsittely: Ikääntyvä käsittely 520 asteessa yhden tunnin ajan voi poistaa jäljellä olevat jännitykset rajapinnassa ja lisätä edelleen lämpöhajottavuutta 30%, jolloin se on lähempänä 80% puhtaista kuparimateriaaleista.
3, rakennesuunnittelu: topologian optimointi vapauttaa lämmönjohtavuuden potentiaalin
3D -tulostuksen tärkein etu on sen kyky luoda monimutkaisia ​​rakenteita, joita on mahdotonta tuottaa tavanomaisilla menetelmillä. Komponenttien lämmönjohtavuuden tehokkuutta voidaan lisätä huomattavasti käyttämällä biomimeettistä suunnittelua ja topologian optimointimenetelmiä.
1.
LED -jäähdytyselementtien lämmön hajoamisalue voidaan lisätä 300% käyttämällä oktaedrista hila -rakennetta, ja lämpövastus voidaan vähentää 40% optimoimalla hilan sauvan halkaisija (0,5 mm: sta 0,3 mm: iin). Kokeellisten tietojen mukaan ALSI10MG - painettu hila jäähdytysaltaan voi kolminkertaistaa LED -elinkaaren 10 W: n teholla ja alentaa liitoskämpötilaa 120 asteesta 85 asteeseen.
14. Satunnainen jäähdytyskanava: Suunnitellun lämmön virtauksen johtavuuden saavuttaminen
Halkaisija 0,8 mm: n konformaalinen jäähdytysvesikanava voidaan suunnitella käyttämällä 3D -tulostustekniikkaa injektiomuotin valmistuksessa, parantaa homeen lämpötilan tasaisuutta 50% ja vähentämällä jäähdytysaikaa 40%. Käyttämällä esimerkkinä autopuskurin muotia, syklin aika voidaan leikata 60 sekunnista 35 sekuntiin ja tuotantokustannukset kappaleelta voidaan vähentää 0,8 yuania optimoimalla jäähdytyskanavajärjestely.
4, posti - Prosessointi: Poista puutteet ja vapauta potentiaalinen lämmönjohtavuus
3D -painettujen komponenttien lämmönjohtavuuteen vaikuttavat suuresti niiden sisäinen huokoisuus ja pinnan karheus. Kupariseoksen GRCOP-42 käyttäminen kuvana:
Hoito kuumalla isostaattisella puristimella (HIP): huokoisuus voidaan vähentää 0,5%: sta 0,02%: iin ja lämmönjohtavuus kasvoi 8% kahden tunnin hoidon jälkeen 120 MPa: ssa ja 500 asteessa. Kemiallinen kiillotus: Pinnan karheus laski RA10 μm: stä RA0,8 μM: iin ja kosketuslämpövastus laski 60%: lla kiillotuksen jälkeen typpihappo -hydrofluorivetyhappo -sekoitettulla liuoksella.