Hur säkerställer man värmeledningsförmågan hos metallutskriftsmaterial?

一, Materialsystem: Den övre gränsen för värmeledningsförmåga bestäms av inneboende egenskaper
Atomstrukturen och elektroniska rörelsegenskaper för metallmaterial bestämmer deras värmeledningsförmåga. Silver (Ag) och koppar (Cu) är de två mest termiskt ledande rena metallerna, medan aluminium (AL) har vunnit popularitet inom flyg- och rymdsektorn på grund av dess lätta natur. Alloying har framkommit som en avgörande strategi för att förbättra den totala prestandan eftersom det är utmanande för en enda metall att tillfredsställa kraven på intrikata driftsförhållanden.
1. Legeringar baserade på koppar: slår en balans mellan styrka och god värmeledningsförmåga
Tillägget av CR2NB LAVES-fasförstärkning till NASA - utvecklad GRCOP - 42 (Cu-4CR-2NB) och GRCOP-84 (Cu-8CR-4NB) kopparlegeringar ökar deras tensilstyrka till mer än 400mPa medan de presenterar deras COPPERPPERALPERAL. I jämförelse med konventionella kopparlegeringar indikerar experimentella data att GRCOP-42 som produceras med användning av laserpulverbäddsmältningsprocessen (L-PBF) har en 15% ökning av värmeledningsförmågan och kan upprätthålla stabil värmeledningsförmåga vid temperaturer mellan 500 och 800 grader. De viktigaste fördelarna med detta material, som har använts i stor utsträckning i raketmotorernas regenerativa kylförbränningskammare, är:
Kontroll av mikrostrukturen: L - PBF -processens höga kylningshastighet (10 ⁴ -10 ⁶ k/s) minskar elektronrörelsespridning genom att förfina CR2NB -fasens storlek till nanoskala -nivån;
Kompositionens enhetlighet: Genom att förhindra variationer i värmeledningsförmåga som uppförts av lokal segregering garanterar gasatomisationspulverteknologi den enhetliga fördelningen av CR- och NB -element i kopparmatrisen.
2. Alloys baserade på aluminium: Kombinationen av värmeledningsförmåga och lättvikt
Den mest använda aluminiumlegeringen i 3D -utskrift är ALSI10mg, som har en värmeledningsförmåga på ungefär 120W/(m · k). Dess densitetsfördel med 2,7 g/cm³ gör det till ett perfekt material för nya energibatteriets radiatorer och satellit termiska hanteringssystem. Följande strategier kan användas för att maximera värmeledningsförmågan hos ALSI10mg -komponenter som tillverkas med hjälp av Selective Laser Melting (SLM) -processen:
Kontroll av pulverpartikelstorlek: Att använda ett fint pulver på 15–45 μm kan öka värmeledningsförmågan med 10%, minska porositeten och förbättra smältpoolens flytande;
Värmebehandlingsförfarande: Nanoskala SI -fas kan fällas ut genom T6 fast lösning plus åldrande behandling, förbättra hårdheten och stabilisera värmeledningsförmågan i intervallet 115–125W/(M · K).
2, Parametrar för processen: Kontroll av värmeledningsförmåga genom mikrostruktur
Förutom själva materialet påverkar djupet för processparametrar också värmeledningsförmågan för metall 3D -utskrift. Genom att ändra formen av smältpoolen, kylhastigheten och restspänningsfördelningen påverkar variabler som laserkraft, skanningshastighet och skikttjocklek direkt komponentens värmeledningsförmåga i L - PBF -processen.
1. Optimering av laserparametrar: Stabiliteten för smältpoolen och värmeledningsvägen är balanserad.
NASA-forskare upptäckte när man tryckte på GRCOP-42 kopparlegering att:
Laserens kraft: Den smälta poolens bredd växer med 20% när kraften höjs från 200W till 300W. Å andra sidan, om för mycket energi appliceras, kan kopparelement avdunsta, skapa mikroporer och sänka värmeledningsförmågan 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 μm), vilket kan hindra värmepassage mellan lager.
2. Multimaterialutskrift: exakt hantering av värmeledningsförmåga vid interaktionen
En av de viktigaste flaskhalsarna när du skriver ut stål koppar med dubbla material är värmeledningsförmågan vid gränssnittet. Studier avslöjar att:
Gränssnittsparameterdesign: Den termiska diffusiviteten vid stålet - Koppargränssnitt kan ökas med 50% genom att ändra laserenergitätheten från 50J/mm³ till 80J/mm³. Åldrande värmebehandling: Åldrande behandling vid 520 grader under en timme kan ta bort eventuell återstående stress vid gränssnittet och ytterligare öka den termiska diffusiviteten med 30%, vilket gör den närmare 80% av ren kopparmaterial.
3, Strukturell design: Optimering av topologin släpper potentialen för värmeledningsförmåga
Den största fördelen med 3D -utskrift är dess förmåga att skapa komplicerade strukturer som är omöjliga att producera med konventionella metoder. Komponentens värmeledningseffektivitet kan ökas kraftigt genom att använda biomimetiska design- och topologioptimeringsmetoder.
1. Biomimetisk gitterstruktur: Ökande värmeavledningseffektivitet och specifik ytarea
Värmeavledningsområdet för LED -kylflänsar kan ökas med 300% genom att använda en oktaedralgitterstruktur, och det termiska motståndet kan minskas med 40% genom att optimera gitterstoddiametern (från 0,5 mm till 0,3 mm). Enligt experimentella data kan en ALSI10mg - tryckt kylfläns i gitteret tredubbla livslängden för en LED vid en effekt på 10W och sänka dess övergångstemperatur från 120 grader till 85 grader.
2. Slumpmässig kylkanal: uppnå riktad värmeflödesledning
En 0,8 mm diameter konform kylvattenkanal kan utformas med 3D -tryckteknologi vid tillverkning av formsprutning, förbättra mögel temperaturens enhetlighet med 50% och minska kyltiden med 40%. Med hjälp av bilstötfångarformen som ett exempel kan cykeltiden skäras från 60 sekunder till 35 sekunder och produktionskostnaden per bit kan minskas med 0,8 yuan genom att optimera kylkanalarrangemanget.
4, Post - Bearbetning: Ta bort brister och släpp potentiell värmeledningsförmåga
Värmeledningsförmågan för 3D -tryckta komponenter påverkas starkt av deras inre porositet och ytråhet. Använda kopparlegeringen GRCOP-42 som en illustration:
Behandling med varm isostatisk pressning (höft): Porositet kan minskas från 0,5% till 0,02% och värmeledningsförmågan ökade med 8% efter två timmars behandling vid 120 MPa och 500 grader. Kemisk polering: Ytråhet minskade från RA10 μm till RA0,8 μm och kontaktens termiska motstånd minskade med 60% efter polering med en blandad lösning av salpetersyrahydrofluor.