Làm thế nào để đảm bảo độ dẫn nhiệt của vật liệu in kim loại?

, Hệ thống vật liệu: Giới hạn trên của độ dẫn nhiệt được xác định bởi chất lượng nội tại
Cấu trúc nguyên tử và tính chất chuyển động điện tử của vật liệu kim loại xác định độ dẫn nhiệt của chúng. Bạc (Ag) và đồng (Cu) là hai kim loại nguyên chất dẫn điện nhất, trong khi nhôm (AL) đã trở nên phổ biến trong lĩnh vực hàng không vũ trụ vì tính chất nhẹ của nó. Hợp kim đã nổi lên như một chiến lược quan trọng để tăng cường hiệu suất tổng thể vì nó rất khó khăn cho một kim loại duy nhất để đáp ứng nhu cầu của hoàn cảnh hoạt động phức tạp.
1. Hợp kim dựa trên đồng: Đích cân bằng giữa độ bền và độ dẫn nhiệt tốt
Việc bổ sung cr2nb Laves củng cố pha vào NASA - đã phát triển GRCOP - 42 (Cu-4CR-2NB) và GRCOP-84 (Cu-8CR-4NB). So với các hợp kim đồng thông thường, dữ liệu thử nghiệm chỉ ra rằng GRCOP-42 được sản xuất bằng quá trình tan chảy giường bột laser (L-PBF) có độ dẫn nhiệt tăng 15% và có thể duy trì độ dẫn nhiệt ổn định ở nhiệt độ từ 500 đến 800 độ. Những lợi ích chính của vật liệu này, đã được sử dụng rộng rãi trong buồng đốt làm mát tái sinh của động cơ tên lửa, là:
Kiểm soát cấu trúc vi mô: T tốc độ làm mát cao của L - PBF (10 ⁴ -10 k/s) làm giảm sự tán xạ chuyển động điện tử bằng cách tinh chỉnh kích thước pha CR2NB xuống mức nano;
Tính đồng nhất của thành phần: Bằng cách ngăn chặn sự thay đổi độ dẫn nhiệt do sự phân biệt cục bộ, công nghệ bột nguyên tử hóa khí đảm bảo sự phân bố đồng đều của các yếu tố CR và NB trong ma trận đồng.
2.LOYS dựa trên nhôm: sự kết hợp giữa độ dẫn nhiệt và trọng lượng nhẹ
Hợp kim nhôm được sử dụng rộng rãi nhất trong in 3D là alsi10mg, có độ dẫn nhiệt khoảng 120W/(m · k). Lợi thế mật độ của nó là 2,7g/cm³ làm cho nó trở thành một vật liệu hoàn hảo cho bộ tản nhiệt bộ pin năng lượng mới và hệ thống quản lý nhiệt vệ tinh. Các chiến lược sau đây có thể được sử dụng để tối đa hóa độ dẫn nhiệt của các thành phần ALSI10MG được sản xuất bằng quá trình tan chảy laser chọn lọc (SLM):
Kiểm soát kích thước hạt bột: Sử dụng bột mịn 15 154545 có thể làm tăng độ dẫn nhiệt 10%, giảm độ xốp và cải thiện tính trôi chảy của bể bơi tan chảy;
Quy trình xử lý nhiệt: Pha nano Si có thể được kết tủa bằng dung dịch rắn T6 cộng với xử lý lão hóa, cải thiện độ cứng và ổn định độ dẫn nhiệt trong phạm vi 115.
2, Các tham số của quá trình: Kiểm soát độ dẫn nhiệt bằng cấu trúc vi mô
Ngoài chính vật liệu, độ sâu của các tham số quá trình cũng ảnh hưởng đến độ dẫn nhiệt của in 3D kim loại. Bằng cách thay đổi hình thức của nhóm tan chảy, tốc độ làm mát và phân phối ứng suất dư, các biến như công suất laser, tốc độ quét và độ dày lớp, ví dụ, ảnh hưởng trực tiếp đến độ dẫn nhiệt của thành phần trong quy trình L- PBF.
1. Tối ưu hóa các tham số laser: Tính ổn định của nhóm tan chảy và đường dẫn nhiệt được cân bằng.
Các nhà khoa học của NASA đã phát hiện ra khi in hợp kim đồng GRCOP-42 mà:
Sức mạnh của tia laser: Chiều rộng của bể nóng chảy tăng 20% ​​khi công suất được tăng từ 200W lên 300W. Mặt khác, nếu áp dụng quá nhiều năng lượng, các yếu tố đồng có thể bay hơi, tạo ra micropores và giảm độ dẫn nhiệt xuống 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), có thể cản trở sự đi qua nhiệt giữa các lớp.
2. In ấn đa vật chất: Quản lý chính xác độ dẫn nhiệt khi tương tác
Một trong những tắc nghẽn chính khi in các thành phần vật liệu kép đồng bằng thép là độ dẫn nhiệt tại giao diện. Các nghiên cứu tiết lộ rằng:
Thiết kế tham số giao diện: Độ khuếch tán nhiệt tại thép - giao diện đồng có thể được tăng 50% bằng cách thay đổi mật độ năng lượng laser từ 50J/mm³ lên 80J/mm³. Xử lý nhiệt lão hóa: Điều trị lão hóa ở 520 độ trong một giờ có thể loại bỏ bất kỳ ứng suất còn lại ở giao diện và tăng thêm độ khuếch tán nhiệt thêm 30%, đưa nó gần hơn đến 80% vật liệu đồng nguyên chất.
3, Thiết kế kết cấu: Tối ưu hóa cấu trúc liên kết giải phóng khả năng dẫn điện nhiệt
Lợi ích chính của in 3D là khả năng tạo ra các cấu trúc phức tạp không thể tạo ra bằng cách sử dụng các phương pháp thông thường. Hiệu suất dẫn nhiệt thành phần có thể được tăng lên rất nhiều bằng cách sử dụng thiết kế sinh học và phương pháp tối ưu hóa cấu trúc liên kết.
1. Cấu trúc mạng sinh học: tăng hiệu quả tản nhiệt và diện tích bề mặt cụ thể
Diện tích tản nhiệt của tản nhiệt LED có thể được tăng thêm 300% bằng cách sử dụng cấu trúc mạng tinh thể bát diện và điện trở nhiệt có thể giảm 40% bằng cách tối ưu hóa đường kính thanh mạng (từ 0,5mm đến 0,3mm). Theo dữ liệu thử nghiệm, bộ tản nhiệt mạng in ALSI10MG - có thể tăng gấp ba tuổi thọ của đèn LED với công suất 10W và giảm nhiệt độ tiếp giáp từ 120 độ xuống 85 độ.
2. Kênh làm mát ngẫu nhiên: Đạt được dẫn truyền nhiệt theo hướng
Một kênh nước làm mát phù hợp với đường kính 0,8mm có thể được thiết kế bằng công nghệ in 3D trong sản xuất khuôn phun, cải thiện tính đồng nhất của nhiệt độ khuôn 50% và cắt giảm thời gian làm mát 40%. Ví dụ, sử dụng khuôn bội ô ô tô, thời gian chu kỳ có thể được cắt từ 60 giây xuống còn 35 giây và chi phí sản xuất mỗi mảnh có thể giảm 0,8 nhân dân tệ bằng cách tối ưu hóa sự sắp xếp kênh làm mát.
4, Post - Xử lý: Loại bỏ các lỗ hổng và giải phóng độ dẫn nhiệt tiềm năng
Độ dẫn nhiệt của các thành phần in 3D bị ảnh hưởng rất nhiều bởi độ xốp bên trong và độ nhám bề mặt của chúng. Sử dụng hợp kim đồng GRCOP-42 làm minh họa:
Điều trị bằng cách ép đẳng nhiệt nóng (HIP): Độ xốp có thể giảm từ 0,5% xuống 0,02% và độ dẫn nhiệt tăng 8% sau hai giờ điều trị ở 120 MPa và 500 độ. Đánh bóng hóa học: Độ nhám bề mặt giảm từ RA10 μM xuống còn RA0,8 μM và điện trở nhiệt tiếp xúc giảm 60% sau khi đánh bóng bằng dung dịch hỗn hợp axit hydrofluoric axit nitric.