Com assegurar la conductivitat tèrmica dels materials d’impressió metàl·lica?

一, Sistema de material: el límit superior de la conductivitat tèrmica està determinat per qualitats intrínseques
L’estructura atòmica i les propietats de moviment electrònic dels materials metàl·lics determinen la seva conductivitat tèrmica. La plata (AG) i el coure (CU) són els dos metalls purs més conductors tèrmicament, mentre que l’alumini (Al) ha guanyat popularitat en el sector aeroespacial per la seva naturalesa lleugera. L’aliatge ha sorgit com una estratègia crucial per millorar el rendiment global perquè és difícil que un sol metall satisfet les exigències de circumstàncies operatives complexes.
1. Aliatges basats en el coure: colpejar un equilibri entre força i bona conductivitat de calor
L’addició de reforç de fase de lava de CR2NB al NASA - desenvolupat GRCOP - 42 (CU-4CR-2NB) i GRCOP-84 (CU-8CR-4NB) Aliatges de coure augmenta la seva resistència a la tensió fins a més de 400mPa mantenint la seva conductivitat de la seva conductivitat pura del coure. En comparació amb els aliatges convencionals de coure, les dades experimentals indiquen que el GRCOP-42 produït mitjançant el procés de fusió del llit de pols làser (L-PBF) té un augment del 15% de la conductivitat tèrmica i pot sostenir una conductivitat tèrmica estable a temperatures entre 500 i 800 graus. Els principals avantatges d’aquest material, que s’ha utilitzat àmpliament en la cambra de combustió de refrigeració regenerativa dels motors de coets, són:
Control de la microestructura: La velocitat de refrigeració elevada del procés L - del procés PBF (10 ⁴ -10 ⁶ k/s) redueix la dispersió del moviment d’electrons perfeccionant la mida de la fase CR2NB al nivell de nanoescala;
Uniformitat de la composició: En prevenir les variacions de conductivitat tèrmica provocada per la segregació local, la tecnologia de pols d’atomització de gas garanteix la distribució uniforme d’elements CR i NB a la matriu de coure.
2. Alloys basat en alumini: la combinació de conductivitat tèrmica i lleugera
L’aliatge d’alumini més utilitzat en la impressió 3D és ALSI10MG, que té una conductivitat de calor d’aproximadament 120W/(M · K). El seu avantatge de densitat de 2,7g/cm³ el converteix en un material perfecte per als nous radiadors de paquets de bateries de vehicles d’energia i sistemes de gestió tèrmica de satèl·lit. Es poden utilitzar les següents estratègies per maximitzar la conductivitat tèrmica dels components ALSI10MG fabricats mitjançant el procés selectiu de fusió làser (SLM):
El control de la mida de les partícules en pols: l’ús d’una pols fina de 15-45 μm pot augmentar la conductivitat de la calor en un 10%, disminuir la porositat i millorar la fluïdesa de la piscina de fusió;
Procediment de tractament tèrmic: la fase SI a nanoescala es pot precipitar mitjançant una solució sòlida T6 més el tractament de l’envelliment, millorant la duresa i estabilitzant la conductivitat tèrmica en el rang 115-125W/(M · K).
2, Paràmetres del procés: control de la conductivitat tèrmica per microstructura
A més del material en si, la profunditat dels paràmetres del procés també afecta la conductivitat de la calor de la impressió 3D metàl·lica. Al modificar la forma de la piscina de fusió, la velocitat de refrigeració i la distribució de l’estrès residual, variables com la potència làser, la velocitat d’escaneig i el gruix de la capa, per exemple, afecten directament la conductivitat tèrmica del component en el procés L - PBF.
1. Optimització dels paràmetres làser: l'estabilitat de la piscina de fusió i la ruta de conductivitat tèrmica són equilibrades.
Els científics de la NASA van descobrir en imprimir aliatge de coure GRCOP-42 que:
Potència d’un làser: l’amplada de la piscina fos creix un 20% quan la potència augmenta de 200W a 300W. D'altra banda, si s'aplica massa energia, els elements de coure poden evaporar -se, crear micropores i reduir la conductivitat de la calor un 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 μ m), cosa que pot impedir el pas de calor entre les capes.
2. Impressió multimaterial: Gestió precisa de la conductivitat tèrmica a la interacció
Un dels principals colls d'ampolla en imprimir components de doble material de coure d'acer és la conductivitat tèrmica a la interfície. Els estudis revelen que:
Disseny de paràmetres d’interfície: la difusivitat tèrmica a l’acer - La interfície de coure es pot augmentar un 50% canviant la densitat d’energia làser de 50J/mm³ a 80J/mm³. Tractament tèrmic envelliment: el tractament de l’envelliment a 520 graus durant una hora pot eliminar qualsevol estrès restant a la interfície i augmentar encara més la difusivitat tèrmica un 30%, apropant -la al 80% dels materials de coure pur.
3, Disseny estructural: l’optimització de la topologia allibera el potencial de conductivitat tèrmica
El principal avantatge de la impressió 3D és la seva capacitat per crear estructures complexes que són impossibles de produir mitjançant mètodes convencionals. L’eficiència de la conductivitat tèrmica dels components es pot augmentar molt mitjançant mètodes de disseny biomimètic i optimització de topologia.
1. Estructura de gelosia biomimètica: augment de l'eficiència de la dissipació de la calor i la superfície específica
L’àrea de dissipació de calor dels dissipadors de calor LED es pot augmentar un 300% mitjançant una estructura de gelosia octaèdrica i la resistència tèrmica es pot disminuir un 40% optimitzant el diàmetre de la barra de gelosia (de 0,5 mm a 0,3 mm). Segons les dades experimentals, un dissipador de calor ALSI10MG - imprès pot triplicar la vida útil d’un LED a una potència de 10W i baixar la temperatura d’unió de 120 graus a 85 graus.
2. Canal de refrigeració aleatòria: Conducció de flux de calor dirigit
Un canal d’aigua de refrigeració conformal de 0,8 mm de diàmetre es pot dissenyar mitjançant la tecnologia d’impressió 3D en la fabricació de motlles d’injecció, millorant la uniformitat de la temperatura del motlle en un 50% i reduint el temps de refrigeració en un 40%. Utilitzant com a exemple el motlle de para -xocs d'automòbils, el temps de cicle es pot tallar de 60 segons a 35 segons i el cost de producció per peça es pot disminuir en 0,8 iuans optimitzant la disposició del canal de refrigeració.
4, Post - Processament: elimina els defectes i allibera la conductivitat tèrmica potencial
La conductivitat de la calor dels components impresos en 3D està molt influenciada per la seva porositat i rugositat superficial. Utilitzant com a il·lustració l'aliatge de coure GRCOP-42:
Tractament amb premsa isostàtica calenta (maluc): la porositat es pot reduir del 0,5% al ​​0,02% i la conductivitat tèrmica va augmentar un 8% després de dues hores de tractament a 120 MPa i 500 graus. Polisme químic: la rugositat superficial va disminuir de RA10 μM a RA0,8 μM i la resistència tèrmica de contacte va disminuir un 60% després de polir amb una solució mixta d’àcid hidrofluòric d’àcid nítric.