Wie kann man die thermische Leitfähigkeit von Metalldruckmaterialien sicherstellen?

一, Materialsystem: Die Obergrenze der thermischen Leitfähigkeit wird durch intrinsische Eigenschaften bestimmt
Die Atomstruktur und die elektronischen Bewegungseigenschaften von Metallmaterialien bestimmen ihre thermische Leitfähigkeit. Silber (AG) und Kupfer (Cu) sind die beiden thermisch leitenden reinen Metalle, während Aluminium (AL) im Luft- und Raumfahrtsektor aufgrund seiner leichten Natur an Popularität gewonnen hat. Alloying hat sich zu einer entscheidenden Strategie zur Verbesserung der Gesamtleistung entwickelt, da es für ein einzelnes Metall eine Herausforderung darstellt, die Anforderungen komplizierter Betriebsumstände zu erfüllen.
1. Legierungen basierend auf Kupfer: Ein Gleichgewicht zwischen Stärke und guter Wärmekanalität schlagen
Die Zugabe von CR2NB-Laves-Phasenverstärkung zur NASA - entwickelte GRCOP - 42 (CU-4CR-2NB) und GRCOP-84 (CU-8CR-4NB). Im Vergleich zu herkömmlichen Kupferlegierungen weisen experimentelle Daten darauf hin, dass GRCOP-42, das mit dem Laserpulverbettschmelz (L-PBF) produziert wurde, die thermische Leitfähigkeit um 15% erhöht und eine stabile thermische Leitfähigkeit bei Temperaturen zwischen 500 und 800 Grad aufrechterhalten kann. Die Hauptvorteile dieses Materials, das in der regenerativen Verbrennungskammer der Raketenmotoren ausgiebig eingesetzt wurde, sind:
Steuerung der Mikrostruktur: Die hohe Kühlrate des PBF -Prozesses (10 ⁴ -10 ⁶ k/s) reduziert die Streuung der Elektronenbewegung, indem die Größe der CR2NB -Phase auf den nanoskaligen Nanobetrag verfeinert wird.
Einheitlichkeit der Zusammensetzung: Durch Verhinderung der durch lokalen Segregation hervorgerufenen Variationen der thermischen Leitfähigkeit garantiert die Gasgebäudepulvertechnologie die einheitliche Verteilung der CR- und NB -Elemente in der Kupfermatrix.
2. ALLGESTELLUNGEN AUF ALUMINUM: Die Kombination aus thermischer Leitfähigkeit und Leichtgewicht
Die am häufigsten verwendete Aluminiumlegierung im 3D -Druck ist Alsi 10 mg, das eine Wärmeleitfähigkeit von ungefähr 120 W/(M · k) aufweist. Sein Dichtevorteil von 2,7 g/cm³ macht es zu einem perfekten Material für neue Energy Vehicle Battery Pack Hadiatoren und Satelliten -Wärmemanagementsysteme. Die folgenden Strategien können verwendet werden, um die thermische Leitfähigkeit von ALSI10 -mg -Komponenten zu maximieren, die unter Verwendung des SLM -Verfahrens (Selektiven Laserschmelzen) hergestellt wurden:
Die Kontrolle der Pulverpartikelgröße: Die Verwendung eines feinen Pulvers von 15 bis 45 μm kann die Wärmekulisse um 10%erhöhen, die Porosität verringern und die Fluidität des Schmelzpools verbessern.
Wärmebehandlungsprozess: Nanoskalige SI -Phase kann durch T6 -Feststofflösung plus alternder Behandlung, Verbesserung der Härte und Stabilisierung der thermischen Leitfähigkeit im Bereich 115–125W/(M · k) ausgefällt werden.
2, Parameter des Prozesses: Kontrolle der thermischen Leitfähigkeit durch Mikrostruktur
Zusätzlich zum Material selbst beeinflusst die Tiefe der Prozessparameter auch die Wärmeleitfähigkeit des Metall -3D -Drucks. Durch die Änderung der Form des Schmelzpools, der Kühlrate und der Restspannungsverteilung beeinflussen Variablen wie Laserleistung, Scangeschwindigkeit und Schichtdicke beispielsweise direkt die thermische Leitfähigkeit der Komponente im L - PBF -Prozess.
1. Optimierung der Laserparameter: Die Stabilität des Schmelzpools und des Wärmeleitfähigkeitswegs sind ausgeglichen.
NASA-Wissenschaftler entdeckten beim Drucken von GRCOP-42-Kupferlegierung:
Kraft eines Lasers: Die Breite des geschmolzenen Pools wächst um 20%, wenn die Leistung von 200 W auf 300 W erhöht wird. Wenn andererseits zu viel Energie angewendet wird, können Kupferelemente verdampfen, wodurch Mikroporen erzeugt werden und die Wärmeleitfähigkeit um 8%verringert werden.
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 & mgr; m), was den Wärmedurchgang zwischen Schichten behindern kann.
2. Multimaterieller Druck: Genauer Management der thermischen Leitfähigkeit bei der Wechselwirkung
Einer der Hauptsgpässe beim Drucken von Kupfer -Dualmaterialkomponenten von Stahl ist die thermische Leitfähigkeit an der Grenzfläche. Studien zeigen, dass:
Schnittstellenparameter Design: Die thermische Diffusivität am Stahl - Kupfergrenzfläche kann durch Ändern der Laserergiedichte von 50 J/mm³ auf 80J/mm³ um 50% erhöht werden. Alternderwärmebehandlung: Die Alterungsbehandlung bei 520 Grad für eine Stunde kann die verbleibende Spannung an der Grenzfläche beseitigen und die thermische Diffusivität um 30% weiter erhöhen und näher an 80% der reinen Kupfermaterialien bringen.
3, strukturelles Design: Die Optimierung der Topologie gibt das Potenzial für die thermische Leitfähigkeit frei
Der Hauptvorteil des 3D -Drucks ist die Fähigkeit, komplizierte Strukturen zu erzeugen, die mit herkömmlichen Methoden nicht produziert werden können. Die Effizienz der thermischen Leitfähigkeit der Komponenten kann durch die Verwendung von biomimetischen Design- und Topologie -Optimierungsmethoden erheblich erhöht werden.
1. Biomimetische Gitterstruktur: Erhöhung der Effizienz der Wärmeableitung und spezifischer Oberfläche
Die Wärmeableitungsfläche von LED -Kühlkörper kann durch die Verwendung einer oktaedrischen Gitterstruktur um 300% erhöht werden, und der thermische Widerstand kann durch Optimierung des Gitterstabdurchmessers (von 0,5 mm auf 0,3 mm) um 40% verringert werden. Nach experimentellen Daten kann ein Alsi10mg - gedrucktes Gitterkühlkörper die Lebensdauer einer LED bei einer Leistung von 10 W verdreifachen und seine Anschlusstemperatur von 120 Grad bis 85 Grad senken.
2. Zufälliger Kühlkanal: Erreichen einer gerichteten Wärmeflussleitung
Ein konforiger Wasserkanal mit 0,8 mm Durchmesser kann unter Verwendung der 3D -Drucktechnologie bei der Herstellung von Schimmelpilzen, die die Gleichmäßigkeit der Schimmelpilztemperatur um 50% und die Kühlzeit um 40% verbessert werden. Unter Verwendung der Automobil -Stoßfängerform als Beispiel kann die Zykluszeit von 60 Sekunden auf 35 Sekunden verkürzt werden, und die Produktionskosten pro Stück können durch Optimierung der Abkühlungskanalanordnung um 0,8 Yuan verringert werden.
4, post - Verarbeitung: Fehlern entfernen und potenzielle thermische Leitfähigkeit freigeben
Die Wärmeleitfähigkeit von 3D -gedruckten Komponenten wird stark von ihrer inneren Porosität und Oberflächenrauheit beeinflusst. Verwenden Sie die Kupferlegierung GRCOP-42 als Abbildung:
Behandlung mit heißer isostatischer Presse (Hüfte): Die Porosität kann von 0,5% auf 0,02% reduziert werden und die Wärmeleitfähigkeit nach zwei Stunden Behandlung bei 120 MPa und 500 Grad um 8% stieg. Chemisches Polieren: Die Oberflächenrauheit nahm von RA10 μm auf Ra0,8 μm und der Kontakt -Wärmewiderstand nach 60% nach Polieren mit einer gemischten Lösung von Salpetsäure -Hydrofluorsäure ab.