كيفية تحسين التوصيل الحراري لسبائك الألومنيوم?

تعد الموصلية الحرارية العالية الجوهرية للألمنيوم واحدة من أكثر سماته قيمة في تطبيقات نقل الحرارة والإدارة الحرارية.

يُظهر الألمنيوم النقي موصلية حرارية تبلغ ~ 237 واط /(م · ك) في 25 درجة مئوية, لكن السبائك التجارية تتراوح عادة من 80 ل 200 ث/(م · ك) اعتمادا على التكوين والمعالجة.

يتطلب تحسين التوصيل الحراري لسبائك الألومنيوم اتباع نهج مستهدف يعتمد على أربعة عوامل مؤثرة أساسية: تكوين السبائك, المعالجة الحرارية, ممارسات الذوبان, وعمليات التشكيل.

تحلل هذه المقالة بشكل منهجي الآليات الكامنة وراء كل عامل وتقترح استراتيجيات قائمة على الأدلة لتحسين الأداء الحراري, مع التركيز على التطبيق الصناعي والجدوى الفنية.

1. تحسين تكوين السبائك: التقليل من تدهور التوصيل الحراري

عناصر صناعة السبائك هي المحددات الأساسية لل الألومنيوم الموصلية الحرارية للسبائك, لأنها تعطل نقل الإلكترون والفونون، وهما الآليتان الرئيسيتان لنقل الحرارة في المعادن.

يعتمد تأثير كل عنصر على قابليته للذوبان, الرابطة الكيميائية, وتشكيل المراحل الثانوية.

لتعزيز التوصيل الحراري, يجب أن يعطي تحسين التركيب الأولوية لتقليل العناصر الضارة وموازنة الخصائص الوظيفية (على سبيل المثال, قوة, مقاومة التآكل) مع كفاءة نقل الحرارة.

آليات تأثير عنصر السبائك

تهيمن حركة الإلكترون على الموصلية الحرارية في الألومنيوم: عيوب شعرية, الذرات المذابة, والمراحل الثانوية تبعثر الإلكترونات, زيادة المقاومة الحرارية.

الملاحظات الرئيسية من الدراسات المعدنية:

• عناصر شديدة الضرر: الكروم (كر), الليثيوم (لي), والمنغنيز (MN) تشكل مركبات بين المعادن مستقرة (على سبيل المثال, Al₆Mn, AlCr₂) ويسبب تشويه شعرية شديدة.
  حتى 0.5 wt.% Cr يقلل من التوصيل الحراري للألمنيوم النقي بنسبة 40-50%, بينما 1 wt.% Li يقللها بنسبة ~ 35% (بيانات ايه اس ام الدولية).
• عناصر ضارة إلى حد ما: السيليكون (و), المغنيسيوم (ملغ), والنحاس (النحاس) هي عناصر صناعة السبائك الشائعة التي توازن بين القوة وقابلية المعالجة.
  تأثيرها يعتمد على التركيز: 5 بالوزن٪ Si يقلل التوصيل الحراري إلى ~ 160 واط /(م · ك), بينما 2 بالوزن٪ Cu يخفضه إلى ~ 200 واط /(م · ك) (مقارنة مع آل النقي 237 ث/(م · ك)).
• عناصر التأثير ضئيلة: الأنتيمون (SB), الكادميوم (قرص مضغوط), القصدير (Sn), والبزموت (ثنائية) لديها ذوبان منخفض في الألومنيوم (<0.1 بالوزن ٪) ولا تشكل مراحل ثانوية خشنة.
  إضافة إلى 0.3 بالوزن٪ من هذه العناصر ليس لها تأثير ملموس على التوصيل الحراري, مما يجعلها مناسبة لتعديل خصائص أخرى (على سبيل المثال, القابلية للآلات) دون التضحية بنقل الحرارة.

استراتيجيات تحسين التكوين

• التقليل من العناصر الضارة: رقابة صارمة على الكروم, لي, ومن محتوى ل <0.1 بالوزن٪ للسبائك ذات الموصلية الحرارية العالية. على سبيل المثال, استبدال 1 بالوزن ٪
  من مع 0.5 بالوزن٪ Mg في سبيكة سلسلة 6xxx يمكن أن تزيد من التوصيل الحراري من 150 ل 180 ث/(م · ك) مع الحفاظ على قوة مماثلة.
• تحسين صناعة السبائك الوظيفية: لسلسلة 5xxx (المجل) سبائك, الحد من المغنيسيوم إلى 2-3٪ بالوزن لتحقيق توازن التوصيل الحراري (~180–200 واط/(م · ك)) ومقاومة التآكل.
  لسلسلة 6xxx (al-mg-si) سبائك, استخدم سي:نسبة ملغم 1.5:1 (على سبيل المثال, 0.6 بالوزن٪ سي + 0.4 بالوزن٪ ملغ) لتكوين رواسب Mg₂Si الدقيقة, والتي لها تأثير ضئيل على نقل الإلكترون.
• الاستفادة من تتبع صناعة السبائك: أضف 0.1–0.2% بالوزن Sb أو Sn لتحسين قابلية الصب وتقليل التشقق الساخن دون تدهور التوصيل الحراري.
  وهذا مفيد بشكل خاص لسبائك الألومنيوم عالية النقاء (99.9%+ آل) المستخدمة في الإدارة الحرارية.

دراسة حالة: سبيكة سلسلة 6xxx عالية التوصيل

معدلة 6063 سبيكة مع انخفاض الحديد (0.1 بالوزن ٪) ومن (0.05 بالوزن ٪) والأمثل سي (0.5 بالوزن ٪)/ملغ (0.3 بالوزن ٪) تحقيق الموصلية الحرارية 210 ث/(م · ك)- 20% أعلى من المعيار 6063 (175 ث/(م · ك))- مع الحفاظ على قوة الخضوع 140 MPA (مناسبة لتطبيقات البثق مثل المشتتات الحرارية).

2. المعالجة الحرارية للخياطة: تقليل تشويه الشبكة وتحسين البنية المجهرية

تعمل المعالجة الحرارية على تعديل البنية المجهرية لسبائك الألومنيوم (على سبيل المثال, حالة الحل الصلبة, توزيع راسب, سلامة شعرية), تؤثر بشكل مباشر على تشتت الإلكترون والتوصيل الحراري.

العمليات الثلاث الأساسية للمعالجة الحرارية – التلدين, التبريد, والشيخوخة - تمارس تأثيرات واضحة على الأداء الحراري.

آليات تأثير المعالجة الحرارية

• التبريد: تبريد سريع (100–1000 درجة مئوية/ثانية) من درجة حرارة المحلول (500-550 درجة مئوية) يشكل محلول صلب مفرط التشبع, مما تسبب في تشويه شعرية شديدة وزيادة تشتت الإلكترون.
  وهذا يقلل من التوصيل الحراري بنسبة 10-15% مقارنة بحالة الصب.
  على سبيل المثال, مروي 6061-T6 لديه الموصلية الحرارية ~ 167 واط /(م · ك), مقابل. 180 ث/(م · ك) بالنسبة للسبائك الملدنة.
• الصلب: التسخين إلى 300-450 درجة مئوية والاحتفاظ به لمدة 1-4 ساعات يخفف من تشويه الشبكة, يعزز ترسيب الذرات المذابة في مراحل ثانوية دقيقة, ويقلل من تشتت الإلكترون.
  التلدين الكامل (420 ° C ل 2 ساعات) يمكن استعادة التوصيل الحراري بنسبة 8-12٪ في السبائك المسقية.
• شيخوخة: الشيخوخة الطبيعية أو الاصطناعية (150-200 درجة مئوية لمدة 4-8 ساعات) تشكل رواسب متماسكة (على سبيل المثال, Mg₂Si في سبائك 6xxx), والتي لها تأثير أقل على التوصيل الحراري من تشويه شعرية.
  الشيخوخة الاصطناعية 6061-T651 (الشيخوخة بعد الإرواء) يؤدي إلى التوصيل الحراري ~ 170 واط /(م · ك)- أعلى قليلاً من T6 بسبب انخفاض إجهاد الشبكة.

استراتيجيات تحسين المعالجة الحرارية

• إعطاء الأولوية للتليين للموصلية العالية: للتطبيقات التي يكون فيها الأداء الحراري أمرًا بالغ الأهمية (على سبيل المثال, حاويات إلكترونية), استخدام الصلب الكامل لتعظيم التوصيل الحراري.
  على سبيل المثال, الصلب 5052-H32 (عمل بارد) في 350 ° C ل 3 ساعة يزيد من التوصيل الحراري من 170 ل 190 ث/(م · ك) عن طريق تخفيف عيوب الشبكة الناتجة عن العمل البارد.
• التبريد والشيخوخة التي تسيطر عليها: للسبائك التي تتطلب القوة والتوصيل الحراري (على سبيل المثال, مكونات السيارات), استخدام عملية الشيخوخة من خطوتين: ما قبل الشيخوخة عند 100 ° C ل 1 ساعة تليها الشيخوخة الرئيسية في 180 ° C ل 4 ساعات.
  هذا يشكل غرامة, رواسب موزعة بشكل موحد مع الحد الأدنى من تشويه شعرية, موازنة قوة الخضوع (180-200 ميجا باسكال) والتوصيل الحراري (160–175 واط/(م · ك)) في سبائك سلسلة 6xxx.
• تجنب الإفراط في التبريد: استخدم معدلات تبريد معتدلة (50-100 درجة مئوية/ثانية) للمكونات ذات القسم السميك لتقليل تشويه الشبكة مع ضمان الاحتفاظ الكافي بالمذاب للشيخوخة.
  يحافظ هذا النهج على التوصيل الحراري داخل 5% من الحالة الملدنة مع تحقيق قوة الهدف.

مثال: تحسين التوصيل الحراري في 7075 سبيكة

يحتوي المعيار 7075-T6 على موصلية حرارية تصل إلى 130 واط تقريبًا(م · ك) بسبب ارتفاع النحاس (2.1-2.9 بالوزن%) والزنك (5.1-6.1 بالوزن%) محتوى.

معالجة حرارية معدلة (الحل الصلب في 475 ° C ل 1 ساعة, تبريد الهواء, والشيخوخة الاصطناعية في 120 ° C ل 8 ساعات) زيادة التوصيل الحراري ل 145 ث/(م · ك) عن طريق تقليل تشويه الشبكة وتكوين رواسب Al₂CuMg الدقيقة.

3. تحسين ممارسات الذوبان: تقليل الغازات, الادراج, والعيوب

ظروف الانصهار - بما في ذلك طرق التكرير, التحكم في درجة الحرارة, وإزالة الشوائب - تؤثر بشكل مباشر على نظافة سبائك الألومنيوم (محتوى الغاز, الادراج غير المعدنية) وسلامة البنية المجهرية.

الغازات (على سبيل المثال, H₂) والشرائط (على سبيل المثال, al₂o₃, أهداب الشوق) بمثابة الحواجز الحرارية, تقليل كفاءة نقل الحرارة عن طريق تشتيت الفونونات وتعطيل تدفق الإلكترونات.

آليات ذوبان التأثير

• محتوى الغاز: الهيدروجين المذاب (H₂) تشكل المسامية أثناء التصلب, خلق الفراغات التي تقلل من التوصيل الحراري.
  محتوى الهيدروجين من 0.2 مل / 100 جرام يمكن أن يقلل Al من التوصيل الحراري بنسبة 5-8٪ (بيانات جمعية المسبك الأمريكية).
• الادراج غير المعدنية: أكاسيد (al₂o₃), كربيدات, وتعمل السيليكات كعيوب نقطية, تشتت الإلكترونات والفونونات.
  المشتملات أكبر من 5 ميكرومتر ضارة بشكل خاص - حيث تقلل التوصيل الحراري بنسبة 10-15٪ في السبائك ذات >0.5 محتوى التضمين vol.%.
• درجة حرارة الذوبان: ارتفاع درجات الحرارة بشكل مفرط (>780 درجة مئوية) زيادة تكوين الأكسيد وذوبان الهيدروجين, بينما درجات الحرارة <680 درجة مئوية تسبب ذوبان وفصل غير كامل.
  كلا السيناريوهين يؤديان إلى تدهور التوصيل الحراري.

ذوبان استراتيجيات التحسين

• درجة حرارة الانصهار التي تسيطر عليها: الحفاظ على درجة حرارة انصهار 700-750 درجة مئوية لتقليل امتصاص الغاز وتكوين الأكسيد.
  هذا النطاق يوازن السيولة (حاسمة للصب) والنظافة لمعظم سبائك الألومنيوم المطاوع والمصبوب.
• التكرير الفعال: استخدام مزيج من NaCl-KCl (1:1 نسبة) كعامل تغطية (2-3% بالوزن من الذوبان) لمنع الأكسدة وسداسي كلورو الإيثان (C₂Cl₆) كعامل تكرير (0.1-0.2 بالوزن%) لإزالة الهيدروجين والشوائب غير المعدنية.
  هذا يقلل من محتوى الهيدروجين إلى <0.1 مل/100 جرام Al ومحتوى التضمين <0.2 المجلد٪.
• إضافات إزالة الشمع والتفريغ: قم بدمج 0.1-0.3% بالوزن من فلوريد الكالسيوم (CaF₂), الكربون المنشط, أو كلوريد الصوديوم (كلوريد الصوديوم) لتقليل المسامية وشوائب الأكسيد.
  تعمل هذه الإضافات على تعزيز تعويم الشوائب وإطلاق الغازات المحتبسة, تحسين التوصيل الحراري بنسبة 8-10%.
• ذوبان الفراغ للحصول على درجة نقاء عالية: لتطبيقات الموصلية الفائقة (على سبيل المثال, الإدارة الحرارية للطيران), استخدام ذوبان الفراغ (10⁻³–10⁻⁴ باسكال) لتقليل محتوى الهيدروجين إلى <0.05 مل/100 جرام آل والتخلص من الملوثات الجوية.
  فراغ ذاب 1050 الألومنيوم يحقق التوصيل الحراري 230 ث/(م · ك)—97% من القيمة النظرية للألمنيوم النقي.

التحقق الصناعي

إنتاج مسبك 356 نفذت سبائك الألومنيوم لرؤوس أسطوانات السيارات ممارسات ذوبان محسنة (720 درجة الحرارة مئوية, عامل تغطية NaCl-KCl, وتكرير C₂Cl₆).

تحتوي السبائك الناتجة على محتوى الهيدروجين 0.08 مل / 100 جرام آل ومحتوى الإدراج 0.15 المجلد٪, مما يؤدي إلى زيادة التوصيل الحراري من 150 ل 168 ث/(م · ك)- 12% أعلى من العملية السابقة.

4. تعزيز عمليات التشكيل: تحسين البنية المجهرية وتقليل العيوب

عمليات التشكيل (على سبيل المثال, البثق, المتداول, تزوير) تعديل البنية المجهرية لسبائك الألومنيوم عن طريق تقليل عيوب الصب (على سبيل المثال, المسامية, الفصل, الحبوب الخشنة) وتحسين التوحيد.

تزوير وقذف, بخاصة, فعالة في تعزيز التوصيل الحراري عن طريق تحسين حجم الحبوب والقضاء على عدم التجانس في البنية المجهرية.

آليات تشكيل التأثير

• البثق: تشوه البلاستيك العالي (نسبة البثق 10:1 ل 50:1) يكسر الادراج المجمعة, يضغط المسامية, ويعزز إعادة بلورة حبيبات الزهر الخشنة إلى حبيبات ناعمة, الحبوب الموحدة (10-50 ميكرون).
  وهذا يقلل من تشتت الإلكترون ويحسن نقل الفونون, زيادة التوصيل الحراري بنسبة 10-15% مقارنة بحالة الصب.
• المتداول / تزوير: تشبه النتوء, هذه العمليات تقلل من الفصل وتنقية الحبوب.
  على سبيل المثال, المتداول البارد 1100 الألومنيوم (99.0% آل) مع 70% تعمل نسبة التخفيض على تحسين حجم الحبوب من 100 μM (كما) ل 20 μM, زيادة التوصيل الحراري من 220 ل 230 ث/(م · ك).
• تقليل العيوب: عمليات التشكيل تقضي على عيوب الصب (على سبيل المثال, مسامية انكماش, الفصل التغصنى) التي تعمل كحواجز حرارية.
  المسامية المضغوطة والشوائب المكسورة تقلل من المقاومة الحرارية, تمكين نقل الحرارة أكثر كفاءة.

تشكيل استراتيجيات تحسين العملية

• ارتفاع تشوه النتوء: استخدم نسبة قذف ≥20:1 لسبائك الألومنيوم المصبوب لتحقيق إعادة التبلور الكامل وهيكل الحبوب الموحد.
  على سبيل المثال, البثق 6063 سبيكة مع 30:1 زيادة نسبة التوصيل الحراري من 175 (كما) ل 205 ث/(م · ك) عن طريق تقليل حجم الحبوب من 80 ل 15 μM.
• درجة حرارة البثق التي تسيطر عليها: قذف عند 400-450 درجة مئوية لتحقيق التوازن بين إعادة التبلور ونمو الحبوب.
  درجات حرارة أعلى (>480 درجة مئوية) تسبب خشونة الحبوب, بينما تنخفض درجات الحرارة (<380 درجة مئوية) زيادة مقاومة التشوه وقد تحتفظ بعيوب الشبكة.
• التلدين بعد التشكيل: الجمع بين البثق / المتداول مع يصلب درجة حرارة منخفضة (300-350 درجة مئوية 1 ساعة) لتخفيف الضغط المتبقي ومواصلة تحسين الحبوب.
  يمكن أن تؤدي هذه الخطوة إلى زيادة التوصيل الحراري بنسبة 5-8% إضافية في السبائك شديدة التشوه.

دراسة حالة: بثق 5052 سبيكة للمبادلات الحرارية

كما يلقي 5052 سبيكة لديها الموصلية الحرارية 175 ث/(م · ك) مع 2% المسامية والحبوب الخشنة (70 μM).

بعد البثق (نسبة 25:1, 420 درجة مئوية) والتليين (320 ° C ل 1 ساعة), أظهرت سبيكة 0.5% المسامية, الحبوب الدقيقة (25 μM), والتوصيل الحراري 198 ث/(م · ك)- 13% أعلى من حالة الصب.

5. هندسة السطح: الرافعة العملية الأكثر فعالية لأحواض الحرارة

لأحواض الحرارة والأجهزة الحرارية الخارجية, الانبعاثية السطحية غالبًا ما يتحكم في تبديد الحرارة الكلي بالتنسيق مع الحمل الحراري.

حقيقتان عمليتان للاستخدام:

• الأشعة تحت الحمراء البعيدة (منطقة معلومات الطيران) / الطلاءات عالية الانبعاثية: تم تصميم هذه الدهانات المتخصصة أو الطلاءات الخزفية لتنبعث بكفاءة في نطاق الأشعة تحت الحمراء الحراري (عادة 3-20 ميكرومتر).
  إنها ترفع انبعاثية السطح إلى ≈0.9 وبالتالي تزيد من فقدان الحرارة الإشعاعية بشكل كبير عند درجات حرارة السطح المعتدلة إلى العالية.
• أكسيد الأسود / أنودز الأسود / انتهاء التحويل باللون الأسود: لمسة نهائية متينة تشبه أكسيد الأسود (أو أنودة سوداء على الألومنيوم) يزيد من انبعاثية السطح أعلى بكثير من المعدن اللامع.
  في الممارسة العملية, التشطيبات "السوداء" تبدد المزيد من الحرارة عن طريق الإشعاع مقارنة بالطبيعية (عاكس) أسطح الألمنيوم.

توضيح هام: التشطيبات السوداء وطلاءات FIR لا ترفع الموصلية الحرارية السائبة, لكنهم زيادة تبديد الحرارة الفعال من جزء عن طريق تحسين الإشعاع (وأحيانًا اقتران الحمل الحراري عبر نسيج السطح).
إن القول بأن "الأكسيد الأسود يوصل الحرارة بشكل أفضل من اللون الطبيعي" هو قول صحيح فقط بمعنى صافي تبديد الحرارة من السطح - وليس أن المادة تزيد.

6. خارطة طريق عملية & التدخلات ذات الأولوية

استخدم نهجًا مرحليًا يستهدف تحقيق أكبر المكاسب أولاً:

1. اختيار سبائك: اختيار الأقل سبائك, سبيكة عالية الموصلية تلبي احتياجات القوة/التآكل.
2. ممارسة الذوبان: تنفيذ التفريغ, غطاء التدفق, الترشيح والتحكم الصارم في درجة الحرارة لتقليل المسام والشوائب.
3. اختيار طريق الصب: تفضل العمليات التي تنتج مسامية منخفضة (العفن الدائم, الضغط, صب الاستثمار مع فراغ) للمكونات الحرجة للحرارة.
4. التكثيف بعد الصب: استخدم HIP للتطبيقات الهامة.
5. المعالجة الحرارية: يصلب أو يصمم معالجات الشيخوخة لترسيب المذاب خارج المحلول عندما يكون ذلك ممكنًا.
6. تشكيل: تطبيق البثق / تزوير / المتداول لإغلاق المسامية المتبقية وتجانس البنية المجهرية.
7. ممارسات السطح والانضمام: تجنب مناطق اللحام والصبغات الحرارية على مسارات الحرارة الأولية; إذا كان اللحام مطلوبا, تخطيط العلاجات الموضعية لاستعادة الموصلية حيثما كان ذلك ممكنا.

7. التوصية الختامية

يعد تحسين التوصيل الحراري لسبائك الألومنيوم مهمة متعددة التخصصات تجمع بين تصميم السبائك, تذوب المعادن, المعالجة الحرارية والتشكيل.

ابدأ بـ اختيار المواد- عندها فقط قم بالتحسين ضوابط العملية (degassing, الترشيح, طريقة الصب), تليها المعالجة الحرارية والمعالجة الميكانيكية لإغلاق العيوب وضبط البنية المجهرية.

حيث تكون الموصلية مهمة حرجة, تحديد الأهداف, تتطلب الاختبارات الكهربائية/الحرارية, وقبول المفاضلات اللازمة بين القوة الميكانيكية, التكلفة والتصنيع.

الأسئلة الشائعة

هل يزيد الأكسيد الأسود من التوصيل الحراري للألمنيوم؟?

لا، فهو يزيد من الانبعاثية السطحية وبالتالي تبديد الحرارة الإشعاعية. لا يتغير الجزء الأكبر من السبيكة من خلال تشطيب السطح الرقيق.

هل الطلاء دائمًا أفضل من التلميع؟?

التلميع يقلل من سحب الحمل الحراري ويقلل من الانبعاث (أسوأ بالنسبة للإشعاع). لأداء المشتت الحراري بشكل عام, عادةً ما يتفوق الطلاء الأسود ذو ε العالي على المعدن المصقول باستثناء الحالات التي يكون فيها الإشعاع ضئيلًا ويهيمن الحمل الحراري.

متى يكون طلاء FIR أكثر فعالية?

حيث تكون درجات الحرارة السطحية معتدلة إلى مرتفعة, حيث يكون الحمل الحراري محدودًا (انخفاض تدفق الهواء), في فراغ أو بيئات الضغط المنخفض, أو لتقليل درجة حرارة الحالة المستقرة للمكونات حتى في ظل تدفق الهواء.

مراجع

1. ASM International. (2020). حجم كتيب ASM 2: الخصائص والاختيار: السبائك غير الحديدية والمواد ذات الأغراض الخاصة. ASM International.
2. جمعية المسبك الأمريكية. (2018). دليل صب الألمنيوم. الصحافة AFS.
3. تشانغ, ي., وآخرون. (2021). تأثير عناصر السبائك والمعالجة الحرارية على التوصيل الحراري لسبائك الألومنيوم سلسلة 6xxx. مجلة تكنولوجيا معالجة المواد, 294, 117189.
4. لي, ج., وآخرون. (2022). تأثير معلمات الذوبان والبثق على التوصيل الحراري لـ 5052 سبيكة الألومنيوم. علوم وهندسة المواد أ, 845, 143126.
5. ديفيس, ي. ص. (2019). الألومنيوم وسبائك الألومنيوم: صفات, ملكيات, والتطبيقات. ASM International.
6. وانغ هوي. التقدم في التطوير والبحث لسبائك الألومنيوم ذات الموصلية الحرارية العالية [ي]. مسبك, 2019, 68(10):1104