Hvordan man forbedrer den termiske ledningsevne af aluminiumslegeringer?

Aluminiums iboende høje termiske ledningsevne er en af ​​dets mest værdifulde egenskaber til varmeoverførsel og varmestyringsapplikationer.

Rent aluminium udviser en termisk ledningsevne på ~237 W/(m · k) Ved 25 ° C., men kommercielle legeringer spænder typisk fra 80 til 200 m/(m · k) afhængig af sammensætning og forarbejdning.

Forbedring af den termiske ledningsevne af aluminiumslegeringer kræver en målrettet tilgang baseret på fire kernepåvirkningsfaktorer: Legeringssammensætning, Varmebehandling, smeltningspraksis, og formningsprocesser.

Denne artikel analyserer systematisk mekanismerne bag hver faktor og foreslår evidensbaserede strategier til at optimere termisk ydeevne, med fokus på industriel anvendelighed og teknisk gennemførlighed.

1. Optimering af legeringssammensætning: Minimering af nedbrydning af termisk ledningsevne

Legeringselementer er de primære determinanter for aluminium legerings varmeledningsevne, da de forstyrrer elektron- og fonontransport - de to vigtigste mekanismer for varmeoverførsel i metaller.

Virkningen af ​​hvert element afhænger af dets opløselighed, kemisk binding, og dannelse af sekundære faser.

For at forbedre termisk ledningsevne, Sammensætningsoptimering bør prioritere at reducere skadelige elementer og afbalancere funktionelle egenskaber (F.eks., styrke, Korrosionsmodstand) med varmeoverførselseffektivitet.

Mekanismer for påvirkning af legeringselementer

Termisk ledningsevne i aluminium er domineret af elektronmobilitet: gitterdefekter, opløste atomer, og sekundære faser spreder elektroner, øget termisk modstand.

Nøgleobservationer fra metallurgiske undersøgelser:

• Meget skadelige elementer: Krom (Cr), lithium (Li), og mangan (Mn) danner stabile intermetalliske forbindelser (F.eks., Al₆Mn, AlCr2) og forårsage alvorlig gitterforvrængning.
  Endog 0.5 vægt% Cr reducerer rent aluminiums varmeledningsevne med 40-50%, mens 1 vægt% Li reducerer den med ~35% (ASM International data).
• Moderat skadelige elementer: Silicium (Og), Magnesium (Mg), og kobber (Cu) er almindelige legeringselementer, der balancerer styrke og bearbejdelighed.
  Deres påvirkning er koncentrationsafhængig: 5 vægt% Si reducerer termisk ledningsevne til ~160 W/(m · k), mens 2 vægt% Cu sænker den til ~200 W/(m · k) (sammenlignet med rene Al'er 237 m/(m · k)).
• Ubetydelige påvirkningselementer: Antimon (Sb), cadmium (Cd), tin (Sn), og vismut (Bi) har lav opløselighed i aluminium (<0.1 Wt.%) og danner ikke grove sekundære faser.
  Tilføjer op til 0.3 vægt% af disse grundstoffer har ingen målbar effekt på termisk ledningsevne, gør dem egnede til at modificere andre egenskaber (F.eks., bearbejdningsevne) uden at ofre varmeoverførslen.

Sammensætningsoptimeringsstrategier

• Minimer skadelige elementer: Strengt kontrol Cr, Li, og Mn indhold til <0.1 vægt% for legeringer med høj termisk ledningsevne. For eksempel, Udskiftning 1 Wt.%
  Mn med 0.5 vægt% Mg i en 6xxx-serie legering kan øge termisk ledningsevne fra 150 til 180 m/(m · k) samtidig med at en sammenlignelig styrke bevares.
• Optimer funktionel legering: Til 5xxx-serien (Al-mg) legeringer, begrænse Mg til 2-3 vægt% for at opnå en balance mellem termisk ledningsevne (~180-200 W/(m · k)) og korrosionsbestandighed.
  Til 6xxx-serien (Al-mg-si) legeringer, brug en Si:Mg-forhold på 1.5:1 (F.eks., 0.6 vægt% Si + 0.4 vægt% Mg) til dannelse af fine Mg2Si-præcipitater, som har minimal indvirkning på elektrontransport.
• Brug sporlegering: Tilsæt 0,1-0,2 vægt% Sb eller Sn for at forbedre støbeevnen og reducere varmerevner uden at forringe den termiske ledningsevne.
  Dette er især nyttigt til aluminiumslegeringer med høj renhed (99.9%+ Al) bruges i termisk styring.

Casestudie: Højledningsevne 6xxx-seriens legering

En modificeret 6063 legering med reduceret Fe (0.1 Wt.%) og Mn (0.05 Wt.%) og optimeret Si (0.5 Wt.%)/Mg (0.3 Wt.%) opnået en varmeledningsevne på 210 m/(m · k)-20 % højere end standard 6063 (175 m/(m · k))- mens man bevarer en flydespænding på 140 MPA (velegnet til ekstruderingsapplikationer som køleplader).

2. Skræddersyet varmebehandling: Reduktion af gitterforvrængning og optimering af mikrostruktur

Varmebehandling modificerer aluminiumslegeringens mikrostruktur (F.eks., fast opløsningstilstand, bundfaldsfordeling, gitterintegritet), direkte påvirkning af elektronspredning og termisk ledningsevne.

De tre primære varmebehandlingsprocesser - udglødning, slukning, og ældning - udøver tydelige effekter på termisk ydeevne.

Mekanismer for varmebehandlingspåvirkning

• Slukning: Hurtig køling (100–1000 °C/s) fra opløsningstemperaturen (500–550 ° C.) danner en overmættet fast opløsning, forårsager alvorlig gitterforvrængning og øget elektronspredning.
  Dette reducerer den termiske ledningsevne med 10-15 % sammenlignet med den støbte tilstand.
  For eksempel, quenched 6061-T6 har en termisk ledningsevne på ~167 W/(m · k), vs.. 180 m/(m · k) for den efterglødede legering.
• Udglødning: Opvarmning til 300-450 °C og hold i 1-4 timer lindrer gitterforvrængning, fremmer udfældningen af ​​opløste atomer i fine sekundære faser, og reducerer elektronspredning.
  Fuld udglødning (420 ° C for 2 timer) kan genoprette termisk ledningsevne med 8-12% i bratkølede legeringer.
• Aldring: Naturlig eller kunstig aldring (150–200 °C i 4–8 timer) danner sammenhængende bundfald (F.eks., Mg₂Si i 6xxx legeringer), som har en mindre indflydelse på varmeledningsevnen end gitterforvrængning.
  Kunstig ældning af 6061-T651 (post-quench aldring) resulterer i en termisk ledningsevne på ~170 W/(m · k)- lidt højere end T6 på grund af reduceret gitterbelastning.

Varmebehandlingsoptimeringsstrategier

• Prioriter udglødning for høj ledningsevne: Til applikationer, hvor termisk ydeevne er kritisk (F.eks., Elektroniske indkapslinger), brug fuld udglødning for at maksimere termisk ledningsevne.
  For eksempel, udglødning 5052-H32 (Koldtarbejdet) på 350 ° C for 3 timer øger varmeledningsevnen fra 170 til 190 m/(m · k) ved at afhjælpe koldarbejde-inducerede gitterdefekter.
• Kontrolleret slukning og aldring: Til legeringer, der kræver både styrke og varmeledningsevne (F.eks., Automotive komponenter), bruge en to-trins ældningsproces: forældning kl 100 ° C for 1 time efterfulgt af hovedaldring kl 180 ° C for 4 timer.
  Dette former sig fint, ensartet fordelte bundfald med minimal gitterforvrængning, afbalancerende flydespænding (180–200 MPa) og termisk ledningsevne (160–175 W/(m · k)) i 6xxx-seriens legeringer.
• Undgå overslukning: Brug moderate afkølingshastigheder (50–100 °C/s) til komponenter med tykt snit for at reducere gitterforvrængning og samtidig sikre tilstrækkelig tilbageholdelse af opløste stoffer til ældning.
  Denne tilgang bevarer termisk ledningsevne indeni 5% af den udglødede tilstand, mens målstyrken opnås.

Eksempel: Forbedring af termisk ledningsevne i 7075 Legering

Standard 7075-T6 har en termisk ledningsevne på ~130 W/(m · k) på grund af høj Cu (2.1–2,9 vægt%) og Zn (5.1–6,1 vægt%) tilfreds.

En modificeret varmebehandling (Løsning af annealing kl 475 ° C for 1 time, luftkøling, og kunstig aldring kl 120 ° C for 8 timer) øget varmeledningsevne til 145 m/(m · k) ved at reducere gitterforvrængning og danne finere Al₂CuMg-udfældninger.

3. Optimering af smeltningspraksis: Reduktion af gasser, Indeslutninger, og defekter

Smeltebetingelser - inklusive raffineringsmetoder, temperaturkontrol, og fjernelse af urenheder - påvirker direkte aluminiumslegeringens renhed (gasindhold, ikke-metalliske indeslutninger) og mikrostrukturel integritet.

Gasser (F.eks., H₂) og indeslutninger (F.eks., Al₂o₃, MgO) fungere som termiske barrierer, reducere varmeoverførselseffektiviteten ved at sprede fononer og forstyrre elektronstrømmen.

Mekanismer for smeltende indflydelse

• Gasindhold: Opløst brint (H₂) danner porøsitet under størkning, skabe hulrum, der reducerer varmeledningsevnen.
  Et brintindhold på 0.2 ml/100g Al kan reducere varmeledningsevnen med 5-8 % (American Foundry Society data).
• Ikke-metalliske indeslutninger: Oxider (Al₂o₃), Carbider, og silikater virker som punktdefekter, sprede elektroner og fononer.
  Indeslutninger større end 5 μm er særligt skadelige – reducerer varmeledningsevnen med 10-15 % i legeringer med >0.5 vol.% inklusionsindhold.
• Smeltetemperatur: For høje temperaturer (>780 ° C.) øge oxiddannelse og brintopløselighed, mens temperaturer <680 °C forårsager ufuldstændig smeltning og adskillelse.
  Begge scenarier forringer den termiske ledningsevne.

Smeltende optimeringsstrategier

• Kontrolleret smeltetemperatur: Oprethold en smeltetemperatur på 700-750 °C for at minimere gasabsorption og oxiddannelse.
  Dette område afbalancerer flydende (kritisk for casting) og renlighed for de fleste smedede og støbte aluminiumslegeringer.
• Effektiv raffinering: Brug en kombination af NaCl-KCl (1:1 forhold) som dækningsmiddel (2–3 vægt% af smelten) for at forhindre oxidation og hexachlorethan (C2Cl6) som raffineringsmiddel (0.1–0,2 vægt%) at fjerne brint og ikke-metalliske indeslutninger.
  Dette reducerer brintindholdet til <0.1 mL/100g Al og inklusionsindhold til <0.2 vol.%.
• Afvoksnings- og afgasningsadditiver: Inkorporer 0,1-0,3 vægt% calciumfluorid (CaF2), aktivt kul, eller natriumchlorid (NaCl) for at reducere porøsitet og oxidindeslutninger.
  Disse additiver fremmer flotationen af ​​indeslutninger og frigiver indesluttede gasser, forbedrer termisk ledningsevne med 8-10 %.
• Vakuumsmeltning for høj renhed: Til applikationer med ultrahøj ledningsevne (F.eks., rumfarts termisk styring), brug vakuumsmeltning (10⁻³–10⁻⁴ Pa) at reducere brintindholdet til <0.05 ml/100g Al og fjern atmosfæriske forurenende stoffer.
  Vakuumsmeltet 1050 aluminium opnår en varmeledningsevne på 230 m/(m · k)—97% af rent aluminiums teoretiske værdi.

Industriel validering

Et støberi, der producerer 356 aluminiumslegering til topstykker til biler implementeret optimeret smeltningspraksis (720 °C temperatur, NaCl-KCl dækmiddel, og C2Cl6-raffinering).

Den resulterende legering havde et hydrogenindhold på 0.08 ml/100g Al og inklusionsindhold af 0.15 vol.%, fører til en varmeledningsevnestigning fra 150 til 168 m/(m · k)-12 % højere end den tidligere proces.

4. Forbedring af formningsprocesser: Forfining af mikrostruktur og reduktion af defekter

Dannelsesprocesser (F.eks., ekstrudering, rullende, smedning) modificere aluminiumslegeringens mikrostruktur ved at reducere støbefejl (F.eks., porøsitet, adskillelse, grove korn) og forbedre ensartetheden.

Smedning og ekstrudering, især, er effektive til at forbedre termisk ledningsevne ved at forfine kornstørrelsen og eliminere mikrostrukturelle inhomogeniteter.

Mekanismer til at danne indflydelse

• Ekstrudering: Høj plastisk deformation (ekstruderingsforhold 10:1 til 50:1) opdeler klyngede indeslutninger, komprimerer porøsiteten, og fremmer omkrystallisation af grove støbte korn til fine, ensartede korn (10–50 μm).
  Dette reducerer elektronspredning og forbedrer fonontransport, øger den termiske ledningsevne med 10-15 % sammenlignet med den støbte tilstand.
• Valsning/smedning: Svarende til ekstrudering, disse processer reducerer segregation og forfiner korn.
  For eksempel, kold rulling 1100 aluminium (99.0% Al) med en 70% reduktionsforhold forfiner kornstørrelse fra 100 μm (som cast) til 20 μm, øget varmeledningsevne fra 220 til 230 m/(m · k).
• Reduktion af defekt: Formningsprocesser eliminerer støbefejl (F.eks., Krympning af porøsitet, dendritisk adskillelse) der fungerer som termiske barrierer.
  Komprimeret porøsitet og brudte indeslutninger reducerer termisk modstand, muliggør mere effektiv varmeoverførsel.

Udformning af procesoptimeringsstrategier

• Højdeformationsekstrudering: Brug et ekstruderingsforhold på ≥20:1 til støbte aluminiumslegeringer for at opnå fuld omkrystallisation og ensartet kornstruktur.
  For eksempel, ekstrudering 6063 legering med en 30:1 forhold øget varmeledningsevne fra 175 (som cast) til 205 m/(m · k) ved at reducere kornstørrelse fra 80 til 15 μm.
• Kontrolleret ekstruderingstemperatur: Ekstruder ved 400-450 °C for at balancere omkrystallisation og kornvækst.
  Højere temperaturer (>480 ° C.) forårsage kornforgrovning, mens der er lavere temperaturer (<380 ° C.) øge deformationsmodstanden og kan bibeholde gitterdefekter.
• Postformende udglødning: Kombiner ekstrudering/valsning med en lavtemperaturudglødning (300–350 °C for 1 time) for at lindre resterende stress og yderligere forfine korn.
  Dette trin kan øge den termiske ledningsevne med yderligere 5-8 % i stærkt deformerede legeringer.

Casestudie: Ekstruderet 5052 Legering til varmevekslere

Som støbt 5052 legering havde en termisk ledningsevne på 175 m/(m · k) med 2% porøsitet og grove korn (70 μm).

Efter ekstrudering (forhold 25:1, 420 ° C.) og udglødning (320 ° C for 1 time), den udstillede legering 0.5% porøsitet, fine korn (25 μm), og en termisk ledningsevne på 198 m/(m · k)—13 % højere end den støbte tilstand.

5. Overfladeteknik: den mest effektive praktiske håndtag til køleplader

Til køleplader og eksternt termisk hardware, overfladeemission styrer ofte total varmeafledning i samspil med konvektion.

To praktiske fakta at bruge:

• Langt infrarød (GRAN) / højemissionsbelægninger: disse specialiserede malinger eller keramisk-baserede belægninger er formuleret til at udsende effektivt i det termiske infrarøde bånd (typisk 3-20 µm).
  De hæver overfladeemissiviteten til ≈0,9 og øger således strålingsvarmetabet dramatisk ved moderate til høje overfladetemperaturer.
• Sort oxid / Sort anodisering / sort konvertering finish: en holdbar sort oxid-lignende finish (eller sort anodisering på aluminium) øger overfladeemissionsevnen langt over blankt metal.
  I praksis, "sorte" overflader spreder mere varme ved stråling end naturlige (Reflekterende) aluminiums overflader.

Vigtig afklaring: sorte finish og FIR-belægninger hæv ikke bulk termisk ledningsevne, men de øge den effektive varmeafledning af en del ved at forbedre strålingen (og nogle gange konvektiv kobling via overfladetekstur).
At sige "sort oxid leder varme bedre end naturlig farve" er kun korrekt i betydningen netto varmeafgivelse fra overfladen - ikke at materialets k stiger.

6. Praktisk køreplan & prioriterede indsatser

Brug en trinvis tilgang, der retter sig mod de største gevinster først:

1. Valg af legering: vælg den mindst legerede, legering med højeste ledningsevne, der opfylder styrke-/korrosionsbehov.
2. Smeltøvelse: gennemføre afgasning, flux dæksel, filtrering og streng temperaturkontrol for at minimere porer og indeslutninger.
3. Valg af kasterute: foretrækker processer, der giver lav porøsitet (permanent-skimmel, klem casting, Investeringsstøbning med vakuum) til varmekritiske komponenter.
4. Efterstøbning fortætning: brug HIP til kritiske applikationer.
5. Termisk behandling: udglødning eller design ældningsbehandlinger for at udfælde opløst stof ud af opløsningen, når det er muligt.
6. Dannelse: påfør ekstrudering/smedning/valsning for at lukke resterende porøsitet og homogenisere mikrostrukturen.
7. Overflade og sammenføjningspraksis: undgå svejsezoner og varmetoner på primære varmebaner; hvis der kræves svejsning, planlægge lokale behandlinger for at genoprette ledningsevnen, hvor det er muligt.

7. Afsluttende anbefaling

Forbedring af aluminiumslegerings termiske ledningsevne er en tværfaglig opgave, der kombinerer legeringsdesign, smeltemetallurgi, varmebehandling og formning.

Start med Valg af materiale- først derefter optimere proceskontrol (afgasning, filtrering, Casting -metode), efterfulgt af varmebehandling og mekanisk bearbejdning at lukke defekter og justere mikrostruktur.

Hvor ledningsevne er missionskritisk, kvantificere mål, kræver elektrisk/termisk test, og acceptere de nødvendige afvejninger mellem mekanisk styrke, Omkostninger og fremstilling.

FAQS

Øger sort oxid aluminiums varmeledningsevne?

Nej – det øger overfladeemissiviteten og dermed den strålingsvarmeafledning. Legeringens bulk k er uændret af en tynd overfladefinish.

Er belægning altid bedre end polering?

Polering reducerer konvektionsmodstand og sænker emissiviteten (værre for stråling). Til overordnet kølepladeydelse, en sort belægning med høj ε slår normalt poleret metal undtagen hvor strålingen er ubetydelig, og konvektion dominerer.

Hvornår er FIR-belægning mest effektiv?

Hvor overfladetemperaturerne er moderate til høje, hvor konvektion er begrænset (lav luftstrøm), i vakuum- eller lavtryksmiljøer, eller for at reducere komponentens steady-state temperatur selv under luftstrøm.

Referencer

1. ASM International. (2020). ASM Håndbog bind 2: Egenskaber og udvalg: Ikke-jernholdige legeringer og specialmaterialer. ASM International.
2. American Foundry Society. (2018). Håndbog til støbning af aluminium. AFS Press.
3. Zhang, Y., et al. (2021). Effekter af legeringselementer og varmebehandling på den termiske ledningsevne af 6xxx-seriens aluminiumslegeringer. Journal of Materials Processing Technology, 294, 117189.
4. Li, J., et al. (2022). Indflydelse af smelte- og ekstruderingsparametre på den termiske ledningsevne af 5052 Aluminiumslegering. Materialevidenskab og teknik A, 845, 143126.
5. Davis, J. R. (2019). Aluminium og aluminiumslegeringer: Egenskaber, Egenskaber, og applikationer. ASM International.
6. Wang Hui. Udvikling og forskning fremskridt af høj termisk ledningsevne aluminiumslegeringer [J]. Støberi, 2019, 68(10):1104