Come garantire la conduttività termica dei materiali di stampa metallica?

一, Sistema di materiale: il limite superiore della conducibilità termica è determinato da qualità intrinseche
La struttura atomica e le proprietà del movimento elettronico dei materiali metallici determinano la loro conduttività termica. L'argento (AG) e il rame (Cu) sono i due metalli puri più conduttivi più termicamente conduttivi, mentre l'alluminio (AL) ha guadagnato popolarità nel settore aerospaziale a causa della sua natura leggera. La lega è emersa come una strategia cruciale per migliorare le prestazioni complessive perché è difficile per un singolo metallo soddisfare le esigenze di complesse circostanze operative.
1. Leghe basate sul rame: colpire un equilibrio tra resistenza e buona conduttività di calore
L'aggiunta del rinforzo della fase di Cr2nb Laves alla NASA - ha sviluppato GRCOP - 42 (Cu-4Cr-2Nb) e Grcop-84 (Cu-8Cr-4nb) Leghe di rame aumentano la resistenza di tensione a oltre 400mPA mentre preserva la loro pura conduttività di copper. Rispetto alle leghe di rame convenzionali, i dati sperimentali indicano che GRCOP-42 prodotto utilizzando il processo di fusione del letto a polvere laser (L-PBF) ha un aumento del 15% della conducibilità termica e può sostenere una conduttività termica stabile a temperature tra 500 e 800 gradi. I principali vantaggi di questo materiale, che è stato ampiamente utilizzato nella camera di combustione del raffreddamento rigenerativo dei motori a razzo, sono:
Controllo della microstruttura: l'elevata velocità di raffreddamento del processo PBF L - (10 ⁴ -10 ⁶ k/s) riduce lo scattering del movimento elettronico perfezionando la dimensione della fase Cr2NB a livello di nanoscala;
Uniformità della composizione: prevenendo le variazioni di conducibilità termica causate dalla segregazione locale, la tecnologia di atomizzazione a gas di atomizzazione garantisce la distribuzione uniforme degli elementi CR e NB nella matrice di rame.
2.Oline basate sull'alluminio: la combinazione di conducibilità termica e leggera
La lega di alluminio più utilizzata nella stampa 3D è ALSI10MG, che ha una conduttività di calore di circa 120 W/(M · K). Il suo vantaggio di densità di 2,7 g/cm³ lo rende un materiale perfetto per i nuovi radiatori del pacco batteria per veicoli energetici e sistemi di gestione termica satellitare. Le seguenti strategie possono essere utilizzate per massimizzare la conduttività termica dei componenti ALSI10MG fabbricati utilizzando il processo di fusione laser selettiva (SLM):
Controllo della dimensione delle particelle di polvere: l'uso di una polvere fine di 15-45 μm può aumentare la conduttività del calore del 10%, ridurre la porosità e migliorare la fluidità della piscina di fusione;
Procedura di trattamento termico: la fase SI nanoscale può essere precipitata dalla soluzione solida T6 più il trattamento dell'invecchiamento, migliorando la durezza e stabilizzando la conducibilità termica nell'intervallo 115-125W/(M · K).
2, parametri del processo: controllo della conducibilità termica mediante microstruttura
Oltre al materiale stesso, la profondità dei parametri di processo influisce anche sulla conduttività termica della stampa 3D metallica. Alterando la forma del pool di fusione, la velocità di raffreddamento e la distribuzione residua di sollecitazione, variabili come la potenza laser, la velocità di scansione e lo spessore dello strato, ad esempio, influenzano direttamente la conduttività termica del componente nel processo PBF L -.
1. Ottimizzazione dei parametri laser: la stabilità del pool di fusione e il percorso di conducibilità termica sono bilanciati.
Gli scienziati della NASA hanno scoperto durante la stampa della lega di rame Grcop-42 che:
Potenza di un laser: la larghezza del pool fuso cresce del 20% quando il potere viene aumentato da 200 W a 300 W. D'altra parte, se viene applicata troppa energia, gli elementi di rame possono evaporare, creando micropori e abbassando la conducibilità termica dell'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), che può impedire il passaggio di calore tra gli strati.
2. Stampa multimateriale: gestione accurata della conducibilità termica durante l'interazione
Uno dei principali colli di bottiglia durante la stampa di componenti a doppio materiale in rame in acciaio è la conducibilità termica all'interfaccia. Gli studi lo rivelano:
Progettazione dei parametri dell'interfaccia: la diffusività termica sull'acciaio - l'interfaccia di rame può essere aumentata del 50% modificando la densità di energia laser da 50J/mm³ a 80J/mm³. Invecchiamento del trattamento termico: il trattamento dell'invecchiamento a 520 gradi per un'ora può rimuovere qualsiasi sollecitazione rimanente all'interfaccia e aumentare ulteriormente la diffusività termica del 30%, avvicinandolo all'80% dei materiali di rame puro.
3, Progettazione strutturale: l'ottimizzazione della topologia rilascia il potenziale di conducibilità termica
Il principale vantaggio della stampa 3D è la sua capacità di creare strutture intricate che sono impossibili da produrre utilizzando metodi convenzionali. L'efficienza della conducibilità termica dei componenti può essere notevolmente aumentata utilizzando metodi di ottimizzazione della progettazione biomimetica e della topologia.
1. Struttura del reticolo biomimetico: aumento dell'efficienza della dissipazione del calore e della superficie specifica
L'area di dissipazione del calore dei dissipatori di calore a LED può essere aumentata del 300% impiegando una struttura reticolare ottaedrica e la resistenza termica può essere ridotta del 40% ottimizzando il diametro della bordo reticolare (da 0,5 mm a 0,3 mm). Secondo i dati sperimentali, un dissipatore di calore reticolare ALSI10MG - può triplicare la durata della vita di un LED a una potenza di 10 W e ridurre la temperatura di giunzione da 120 gradi a 85 gradi.
2. Canale di raffreddamento casuale: raggiungimento della conduzione del flusso di calore diretto
Un canale d'acqua di raffreddamento conforme di 0,8 mm di diametro può essere progettato utilizzando la tecnologia di stampa 3D nella produzione di stampi iniezione, migliorando l'uniformità della temperatura dello stampo del 50% e riducendo il tempo di raffreddamento del 40%. Usando lo stampo per paraurti automobilistico come esempio, il tempo di ciclo può essere tagliato da 60 secondi a 35 secondi e il costo di produzione per pezzo può essere ridotto di 0,8 yuan ottimizzando la disposizione del canale di raffreddamento.
4, post - elaborazione: rimuovere i difetti e rilasciare potenziale conducibilità termica
La conduttività termica dei componenti stampati in 3D è fortemente influenzata dalla loro porosità interna e rugosità superficiale. Usando la lega di rame GRCOP-42 come illustrazione:
Il trattamento con pressatura isostatica calda (anca): la porosità può essere ridotta dallo 0,5% allo 0,02% e la conducibilità termica è aumentato dell'8% dopo due ore di trattamento a 120 MPa e 500 gradi. Polisma chimica: la rugosità superficiale è diminuita da RA10 μm a RA0,8 μM e la resistenza termica di contatto è diminuita del 60% a seguito di lucidatura con una soluzione mistura di acido idrofluorico di acido nitrico.