Hvordan sikres termisk ledningsevne af metalprintmaterialer?

一, materialesystem: Den øvre grænse for termisk ledningsevne bestemmes af iboende egenskaber
Atomstrukturen og elektroniske bevægelsesegenskaber for metalmaterialer bestemmer deres termiske ledningsevne. Sølv (AG) og kobber (Cu) er de to mest termisk ledende rene metaller, mens aluminium (AL) har vundet popularitet i luftfartssektoren på grund af dens lette karakter. Legering er fremkommet som en vigtig strategi for at forbedre den samlede ydeevne, fordi det er udfordrende for et enkelt metal at imødekomme kravene til indviklede driftsforhold.
1. legeringer baseret på kobber: at slå en balance mellem styrke og god varmeafdeling
Tilføjelsen af ​​CR2NB Laves-faseforstærkning til NASA - udviklede GRCOP - 42 (Cu-4CR-2NB) og GRCOP-84 (Cu-8CR-4NB) kobberlegeringer øger deres tensile styrke til mere end 400mpa, mens de bevarer deres rene kobbers termaliske ledelsesbehandling. I sammenligning med konventionelle kobberlegeringer indikerer eksperimentelle data, at GRCOP-42 produceret ved hjælp af laserpulverbed smeltning (L-PBF) -processen har en stigning på 15% i termisk ledningsevne og kan opretholde stabil termisk ledningsevne ved temperaturer mellem 500 og 800 grad. De største fordele ved dette materiale, der er blevet brugt i vid udstrækning i raketmotorernes regenerative køleforbrændingskammer, er:
Kontrol af mikrostrukturen: L - PBF -processen's høje afkølingshastighed (10 ⁴ -10 ⁶ k/s) reducerer elektronbevægelsesspredning ved at raffinere CR2NB -fasens størrelse til nanoskala -niveauet;
Ensartethed af sammensætning: Ved at forhindre variationer i termisk ledningsevne, der er fremkaldt af lokal adskillelse, garanterer gasforstærkningspulverteknologi den ensartede fordeling af CR- og NB -elementer i kobbermatrixen.
2.leger baseret på aluminium: Kombinationen af ​​termisk ledningsevne og letvægt
Den mest anvendte aluminiumslegering i 3D -udskrivning er ALSI10 mg, som har en varmeafdeling på ca. 120W/(M · K). Dens densitetsfordel på 2,7 g/cm³ gør det til et perfekt materiale til nye energikøretøjsbatteripakkeradiatorer og satellittermiske styringssystemer. Følgende strategier kan bruges til at maksimere den termiske ledningsevne af ALSI10MG -komponenter, der er fremstillet ved hjælp af den selektive lasersmeltningsproces (SLM):
Kontrol af pulverpartikelstørrelse: Brug af et fint pulver på 15-45 μm kan øge varmekonduktiviteten med 10%, reducere porøsiteten og forbedre smeltepoolfluiditeten;
Varmebehandlingsprocedure: Nanoskala SI -fase kan udfældes ved T6 -fast opløsning plus aldringsbehandling, forbedring af hårdhed og stabilisering af termisk ledningsevne i området 115–125W/(M · K).
2, parametre for processen: Kontrol af termisk ledningsevne ved mikrostruktur
Foruden selve materialet påvirker dybden af ​​procesparametre også varmeaflivningsevnen ved metal 3D -udskrivning. Ved at ændre formen af ​​smeltepuljen, afkølingshastigheden og den resterende stressfordeling påvirker variabler som laserkraft, scanningshastighed og lagtykkelse direkte direkte komponentens termiske ledningsevne i L - PBF -processen.
1. Optimering af laserparametre: Stabilitet af smeltepuljen og den termiske ledningsevne er afbalanceret.
NASA-forskere opdagede, når de udskriver GRCOP-42 kobberlegering, der:
Effekt af en laser: Den smeltede pools bredde vokser med 20%, når strømmen hæves fra 200W til 300W. På den anden side, hvis for meget energi påføres, kan kobberelementer fordampe, skabe mikroporer og sænke varmekonduktiviteten med 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), hvilket kan hindre varmepassagen mellem lagene.
2. Multimaterialudskrivning: Præcis styring af termisk ledningsevne ved interaktionen
En af de vigtigste flaskehalse ved udskrivning af stålkobberdobbeltmateriale komponenter er den termiske ledningsevne ved grænsefladen. Undersøgelser afslører, at:
Interfaceparameterdesign: Den termiske diffusivitet ved stålet - kobbergrænsefladen kan øges med 50% ved at ændre laserenergitætheden fra 50J/mm³ til 80J/mm³. Aldrende varmebehandling: Aldringsbehandling ved 520 grad i en time kan fjerne enhver resterende stress ved grænsefladen og yderligere øge den termiske diffusivitet med 30%, hvilket bringer den tættere på 80% af rene kobbermaterialer.
3, Strukturelt design: Optimering af topologien frigiver potentialet for termisk ledningsevne
Den største fordel ved 3D -udskrivning er dens evne til at skabe komplicerede strukturer, som er umulige at fremstille ved hjælp af konventionelle metoder. Komponentens termiske ledningsevneffektivitet kan øges i høj grad ved anvendelse af biomimetisk design og topologioptimeringsmetoder.
1. Biomimetisk gitterstruktur: Forøgelse af varmeafledningseffektivitet og specifikt overfladeareal
Varmeafledningsområdet for LED -køleplade kan øges med 300% ved at anvende en octahedral gitterstruktur, og den termiske modstand kan reduceres med 40% ved at optimere gitterstangdiameteren (fra 0,5 mm til 0,3 mm). I henhold til eksperimentelle data kan en ALSI10 mg - trykt gitter køleskab tredoble levetiden for en LED ved en effekt på 10W og lavere dens forbindelsestemperatur fra 120 grader til 85 grader.
2. Tilfældig kølekanal: Opnå rettet varmestrømsledning
En konform af konform af kølevandskanal på 0,8 mm kan designes ved hjælp af 3D -udskrivningsteknologi til fremstilling af injektionsform, forbedring af formtemperaturuniformitet med 50% og nedskæring på kølingstid med 40%. Ved hjælp af bilbofangerformen som eksempel kan cyklustiden skæres fra 60 sekunder til 35 sekunder, og produktionsomkostningerne pr. Stykke kan reduceres med 0,8 yuan ved at optimere kølekanalarrangementet.
4, post - Behandling: Fjern fejl og frigør potentiel termisk ledningsevne
Varmeledningsevnen for 3D -trykte komponenter er meget påvirket af deres interne porøsitet og overfladefremhed. Brug af kobberlegering Grcop-42 som en illustration:
Behandling med varm isostatisk presning (HIP): Porøsitet kan reduceres fra 0,5% til 0,02%, og termisk ledningsevne steg med 8% efter to timers behandling ved 120 MPa og 500 grader. Kemisk polering: Overfladesruhed faldt fra RA10 μm til RA0,8 μm og kontakt termisk resistens faldt med 60% efter polering med et salpetersyre -hydrofluorinsyreblandet opløsning.