Comment améliorer la conductivité thermique des alliages d'aluminium?

La conductivité thermique élevée intrinsèque de l’aluminium est l’un de ses attributs les plus précieux pour les applications de transfert de chaleur et de gestion thermique..

L'aluminium pur présente une conductivité thermique d'environ 237 W/(m · k) à 25 ° C, mais les alliages commerciaux varient généralement de 80 à 200 Avec(m · k) selon la composition et le traitement.

L'amélioration de la conductivité thermique des alliages d'aluminium nécessite une approche ciblée basée sur quatre facteurs d'influence fondamentaux: composition en alliage, traitement thermique, pratiques de fusion, et processus de formage.

Cet article analyse systématiquement les mécanismes derrière chaque facteur et propose des stratégies fondées sur des preuves pour optimiser les performances thermiques., en mettant l'accent sur l'applicabilité industrielle et la faisabilité technique.

1. Optimisation de la composition de l'alliage: Minimiser la dégradation de la conductivité thermique

Les éléments d'alliage sont les principaux déterminants de aluminium conductivité thermique des alliages, car ils perturbent le transport des électrons et des phonons, les deux principaux mécanismes de transfert de chaleur dans les métaux.

L'impact de chaque élément dépend de sa solubilité, liaison chimique, et formation de phases secondaires.

Pour améliorer la conductivité thermique, l'optimisation de la composition doit donner la priorité à la réduction des éléments nocifs et à l'équilibrage des propriétés fonctionnelles (Par exemple, force, résistance à la corrosion) avec efficacité de transfert de chaleur.

Mécanismes d’influence des éléments d’alliage

La conductivité thermique de l'aluminium est dominée par la mobilité électronique: défauts de treillis, atomes de soluté, et les phases secondaires diffusent les électrons, augmentation de la résistance thermique.

Principales observations issues des études métallurgiques:

• Éléments hautement nuisibles: Chrome (Croisement), lithium (Li), et manganèse (MN) former des composés intermétalliques stables (Par exemple, Al₆Mn, AlCr₂) et provoquer une grave distorsion du réseau.
  Même 0.5 Le % en poids de Cr réduit la conductivité thermique de l'aluminium pur de 40 à 50 %, alors que 1 % en poids Li le diminue d'environ 35 % (Données ASM International).
• Éléments modérément nuisibles: Silicium (Et), magnésium (Mg), et cuivre (Cu) sont des éléments d'alliage courants qui équilibrent la résistance et la transformabilité.
  Leur impact dépend de la concentration: 5 % en poids Si réduit la conductivité thermique à ~ 160 W/(m · k), alors que 2 % en poids Cu le réduit à ~ 200 W/(m · k) (par rapport aux Al purs 237 Avec(m · k)).
• Éléments d’impact négligeables: Antimoine (Sb), cadmium (CD), étain (Sn), et le bismuth (Bi) ont une faible solubilité dans l'aluminium (<0.1 Wt.%) et ne forment pas de phases secondaires grossières.
  En additionnant à 0.3 % en poids de ces éléments n'a aucun effet mesurable sur la conductivité thermique, les rendant adaptés à la modification d’autres propriétés (Par exemple, machinabilité) sans sacrifier le transfert de chaleur.

Stratégies d'optimisation de la composition

• Minimiser les éléments nocifs: Contrôler strictement Cr, Li, et la teneur en Mn de <0.1 % en poids pour les alliages à haute conductivité thermique. Par exemple, remplacement 1 Wt.%
  Mn avec 0.5 % en poids de Mg dans un alliage de la série 6xxx peut augmenter la conductivité thermique de 150 à 180 Avec(m · k) tout en conservant une solidité comparable.
• Optimiser l'alliage fonctionnel: Pour la série 5xxx (Al-mg) alliages, limiter Mg à 2–3 % en poids pour atteindre un équilibre de conductivité thermique (~180-200 W/(m · k)) et résistance à la corrosion.
  Pour la série 6xxx (Al-mg-si) alliages, utiliser un Si:Rapport mg de 1.5:1 (Par exemple, 0.6 % en poids Si + 0.4 % en poids Mg) pour former de fins précipités de Mg₂Si, qui ont un impact minimal sur le transport des électrons.
• Utiliser des alliages de traces: Ajoutez 0,1 à 0,2 % en poids de Sb ou Sn pour améliorer la coulabilité et réduire les fissures à chaud sans dégrader la conductivité thermique..
  Ceci est particulièrement utile pour les alliages d'aluminium de haute pureté (99.9%+ Al) utilisé dans la gestion thermique.

Étude de cas: Alliage haute conductivité série 6xxx

Un modifié 6063 alliage avec Fe réduit (0.1 Wt.%) et Mn (0.05 Wt.%) et Si optimisé (0.5 Wt.%)/Mg (0.3 Wt.%) atteint une conductivité thermique de 210 Avec(m · k)—20 % plus élevé que la norme 6063 (175 Avec(m · k))- tout en conservant une limite d'élasticité de 140 MPA (adapté aux applications d'extrusion telles que les dissipateurs thermiques).

2. Traitement thermique sur mesure: Réduire la distorsion du réseau et optimiser la microstructure

Le traitement thermique modifie la microstructure de l’alliage d’aluminium (Par exemple, état de solution solide, distribution précipitée, intégrité du treillis), affectant directement la diffusion des électrons et la conductivité thermique.

Les trois principaux processus de traitement thermique : le recuit, éteinte, et vieillissement – ​​exercent des effets distincts sur les performances thermiques.

Mécanismes d’influence du traitement thermique

• Éteinte: Refroidissement rapide (100–1000 °C/s) de la température de la solution (500–550 ° C) forme une solution solide sursaturée, provoquant une grave distorsion du réseau et une diffusion accrue des électrons.
  Cela réduit la conductivité thermique de 10 à 15 % par rapport à l'état brut de coulée..
  Par exemple, Le 6061-T6 trempé a une conductivité thermique d'environ 167 W/(m · k), contre. 180 Avec(m · k) pour l'alliage brut de recuit.
• Recuit: Chauffer à 300-450 °C et maintenir pendant 1 à 4 heures soulage la distorsion du réseau, favorise la précipitation des atomes de soluté en fines phases secondaires, et réduit la diffusion des électrons.
  Recuit complet (420 ° C pour 2 heures) peut restaurer la conductivité thermique de 8 à 12 % dans les alliages trempés.
• Vieillissement: Vieillissement naturel ou artificiel (150–200 °C pendant 4 à 8 heures) forme des précipités cohérents (Par exemple, Mg₂Si dans les alliages 6xxx), qui ont un impact moindre sur la conductivité thermique que la distorsion du réseau.
  Vieillissement artificiel du 6061-T651 (vieillissement après trempe) donne une conductivité thermique d'environ 170 W/(m · k)-légèrement supérieur à T6 en raison de la déformation réduite du réseau.

Stratégies d'optimisation du traitement thermique

• Donner la priorité au recuit pour une conductivité élevée: Pour les applications où les performances thermiques sont critiques (Par exemple, enclos électroniques), utiliser un recuit complet pour maximiser la conductivité thermique.
  Par exemple, recuit 5052-H32 (à froid) à 350 ° C pour 3 heures augmente la conductivité thermique de 170 à 190 Avec(m · k) en atténuant les défauts de réseau induits par le travail à froid.
• Trempe et vieillissement contrôlés: Pour les alliages nécessitant à la fois résistance et conductivité thermique (Par exemple, composants automobiles), utiliser un processus de vieillissement en deux étapes: pré-vieillissement à 100 ° C pour 1 heure suivie d'un vieillissement principal à 180 ° C pour 4 heures.
  Cela se forme bien, précipités uniformément répartis avec une distorsion minimale du réseau, équilibrage de la limite d'élasticité (180–200 MPA) et conductivité thermique (160–175 W/(m · k)) en alliages de la série 6xxx.
• Évitez une trempe excessive: Utiliser des taux de refroidissement modérés (50–100 °C/s) pour les composants à section épaisse afin de réduire la distorsion du réseau tout en assurant une rétention suffisante du soluté pour le vieillissement.
  Cette approche maintient la conductivité thermique au sein 5% de l'état recuit tout en atteignant la résistance cible.

Exemple: Amélioration de la conductivité thermique dans 7075 Alliage

La norme 7075-T6 a une conductivité thermique de ~130 W/(m · k) en raison de la teneur élevée en Cu (2.1–2,9% en poids) et Zn (5.1–6,1% en poids) contenu.

Un traitement thermique modifié (recuit de solution à 475 ° C pour 1 heure, refroidissement de l'air, et vieillissement artificiel à 120 ° C pour 8 heures) conductivité thermique accrue à 145 Avec(m · k) en réduisant la distorsion du réseau et en formant des précipités d'Al₂CuMg plus fins.

3. Optimiser les pratiques de fusion: Réduire les gaz, Inclusions, et défauts

Conditions de fusion, y compris les méthodes de raffinage, contrôle de la température, et élimination des impuretés – impact direct sur la propreté de l’alliage d’aluminium (teneur en gaz, inclusions non métalliques) et l'intégrité microstructurale.

Gaz (Par exemple, H₂) et inclusions (Par exemple, Al₂o₃, MgO) agissent comme des barrières thermiques, réduisant l'efficacité du transfert de chaleur en dispersant les phonons et en perturbant le flux d'électrons.

Mécanismes d’influence de la fusion

• Contenu en gaz: Hydrogène dissous (H₂) forme de la porosité lors de la solidification, créer des vides qui réduisent la conductivité thermique.
  Une teneur en hydrogène de 0.2 mL/100 g d'Al peut diminuer la conductivité thermique de 5 à 8 % (Données de l'American Foundry Society).
• Inclusions non métalliques: Oxydes (Al₂o₃), carbures, et les silicates agissent comme des défauts ponctuels, diffusion d'électrons et de phonons.
  Inclusions plus grandes que 5 μm sont particulièrement préjudiciables, réduisant la conductivité thermique de 10 à 15 % dans les alliages avec >0.5 vol.% contenu d'inclusion.
• Température de fusion: Des températures trop élevées (>780 ° C) augmenter la formation d’oxyde et la solubilité de l’hydrogène, tandis que les températures <680 °C provoque une fusion incomplète et une ségrégation.
  Les deux scénarios dégradent la conductivité thermique.

Stratégies d'optimisation de la fusion

• Température de fusion contrôlée: Maintenir une température de fusion de 700 à 750 °C pour minimiser l'absorption de gaz et la formation d'oxyde.
  Cette gamme équilibre la fluidité (critique pour le casting) et propreté pour la plupart des alliages d'aluminium corroyés et moulés.
• Raffinage efficace: Utilisez une combinaison de NaCl-KCl (1:1 rapport) comme agent de couverture (2–3% en poids de la masse fondue) pour éviter l'oxydation et l'hexachloroéthane (C₂Cl₆) comme agent de raffinage (0.1–0,2% en poids) pour éliminer l'hydrogène et les inclusions non métalliques.
  Cela réduit la teneur en hydrogène à <0.1 mL/100g Al et teneur en inclusion à <0.2 vol.%.
• Additifs de déparaffinage et de dégazage: Incorporer 0,1 à 0,3 % en poids de fluorure de calcium (CaF₂), charbon actif, ou du chlorure de sodium (NaCl) pour réduire la porosité et les inclusions d'oxydes.
  Ces additifs favorisent la flottation des inclusions et libèrent les gaz piégés, améliorant la conductivité thermique de 8 à 10 %.
• Fusion sous vide pour une grande pureté: Pour les applications à ultra haute conductivité (Par exemple, gestion thermique aérospatiale), utiliser la fusion sous vide (10⁻³–10⁻⁴ Pa) réduire la teneur en hydrogène à <0.05 mL/100g Al et éliminer les contaminants atmosphériques.
  Fondu sous vide 1050 l'aluminium atteint une conductivité thermique de 230 Avec(m · k)—97 % de la valeur théorique de l'aluminium pur.

Validation industrielle

Une fonderie produisant 356 alliage d'aluminium pour culasses automobiles mis en œuvre des pratiques de fusion optimisées (720 Température °C, Agent couvrant NaCl-KCl, et raffinage C₂Cl₆).

L'alliage résultant avait une teneur en hydrogène de 0.08 mL/100g Al et teneur en inclusion de 0.15 vol.%, conduisant à une augmentation de la conductivité thermique de 150 à 168 Avec(m · k)—12% de plus que le processus précédent.

4. Améliorer les processus de formage: Affiner la microstructure et réduire les défauts

Processus de formage (Par exemple, extrusion, roulement, forgeage) modifier la microstructure de l’alliage d’aluminium en réduisant les défauts de coulée (Par exemple, porosité, ségrégation, céréales secondaires) et améliorer l'uniformité.

Forgeage et extrusion, en particulier, sont efficaces pour améliorer la conductivité thermique en affinant la taille des grains et en éliminant les inhomogénéités microstructurales.

Mécanismes de formation d’influence

• Extrusion: Déformation plastique élevée (rapport d'extrusion 10:1 à 50:1) brise les inclusions groupées, compacte la porosité, et favorise la recristallisation des grains grossiers moulés en grains fins, grains uniformes (10–50 μm).
  Cela réduit la diffusion des électrons et améliore le transport des phonons, augmentation de la conductivité thermique de 10 à 15 % par rapport à l'état brut de coulée.
• Laminage/Forgeage: Similaire à l'extrusion, ces processus réduisent la ségrégation et raffinent les grains.
  Par exemple, roulement froid 1100 aluminium (99.0% Al) avec un 70% le taux de réduction affine la taille des grains de 100 μm (à l'étranger) à 20 μm, augmentation de la conductivité thermique de 220 à 230 Avec(m · k).
• Réduction des défauts: Les processus de formage éliminent les défauts de coulée (Par exemple, Porosité de rétrécissement, ségrégation dendritique) qui agissent comme des barrières thermiques.
  La porosité compactée et les inclusions brisées réduisent la résistance thermique, permettant un transfert de chaleur plus efficace.

Stratégies d'optimisation des processus de formage

• Extrusion à haute déformation: Utiliser un taux d'extrusion ≥20:1 pour les alliages d'aluminium moulés afin d'obtenir une recristallisation complète et une structure de grain uniforme.
  Par exemple, extrudage 6063 alliage avec un 30:1 rapport augmentation de la conductivité thermique de 175 (à l'étranger) à 205 Avec(m · k) en réduisant la taille des grains de 80 à 15 μm.
• Température d'extrusion contrôlée: Extruder à 400-450 °C pour équilibrer la recristallisation et la croissance des grains.
  Températures plus élevées (>480 ° C) provoquer un grossissement des grains, tandis que les températures sont plus basses (<380 ° C) augmenter la résistance à la déformation et peut conserver les défauts du réseau.
• Recuit post-formage: Combinez l'extrusion/laminage avec un recuit à basse température (300–350 °C pour 1 heure) pour soulager le stress résiduel et affiner davantage les grains.
  Cette étape peut augmenter la conductivité thermique de 5 à 8 % supplémentaires dans les alliages hautement déformés..

Étude de cas: Extrudé 5052 Alliage pour échangeurs de chaleur

Tel que moulé 5052 l'alliage avait une conductivité thermique de 175 Avec(m · k) avec 2% porosité et gros grains (70 μm).

Après extrusion (rapport 25:1, 420 ° C) et recuit (320 ° C pour 1 heure), l'alliage exposé 0.5% porosité, grains fins (25 μm), et une conductivité thermique de 198 Avec(m · k)—13 % plus élevé que l'état tel que moulé.

5. Ingénierie des surfaces: le levier pratique le plus efficace pour les dissipateurs thermiques

Pour les dissipateurs thermiques et le matériel thermique externe, émissivité superficielle contrôle souvent la dissipation totale de la chaleur de concert avec la convection.

Deux faits pratiques à utiliser:

• Infrarouge lointain (SAPIN) / revêtements à haute émissivité: ces peintures spécialisées ou revêtements à base de céramique sont formulés pour émettre efficacement dans la bande infrarouge thermique (généralement 3 à 20 µm).
  Ils augmentent l'émissivité de surface à ≈0,9 et augmentent ainsi considérablement la perte de chaleur radiative à des températures de surface modérées à élevées..
• Oxyde noir / anoder noir / finitions de conversion noires: une finition durable semblable à un oxyde noir (ou anodisation noire sur aluminium) augmente l'émissivité de la surface bien au-dessus du métal brillant.
  En pratique, Les finitions « noires » dissipent plus de chaleur par rayonnement que les finitions naturelles (réfléchissant) surfaces en aluminium.

Précision importante: finitions noires et revêtements FIR n'augmente pas la conductivité thermique globale, mais ils augmenter la dissipation thermique efficace d'une pièce en améliorant le rayonnement (et parfois couplage convectif via la texture de la surface).
Dire « l'oxyde noir conduit mieux la chaleur que la couleur naturelle » n'est correct que dans le sens de dissipation thermique nette de la surface - non pas que le k du matériau augmente.

6. Feuille de route pratique & interventions prioritaires

Utiliser une approche par étapes qui cible en premier les gains les plus importants:

1. Choix d'alliage: choisissez le moins allié, Alliage à conductivité la plus élevée qui répond aux besoins de résistance/corrosion.
2. Pratique de la fonte: mettre en œuvre le dégazage, couverture de flux, filtration et contrôle strict de la température pour minimiser les pores et les inclusions.
3. Sélection de l'itinéraire de diffusion: privilégier les procédés qui donnent une faible porosité (moule permanent, coulée de compression, casting d'investissement avec vide) pour composants thermiquement critiques.
4. Densification post-coulée: utiliser HIP pour les applications critiques.
5. Traitement thermique: recuire ou concevoir des traitements de vieillissement pour précipiter le soluté hors de la solution lorsque cela est possible.
6. Formation: appliquer l'extrusion/forgeage/laminage pour fermer la porosité résiduelle et homogénéiser la microstructure.
7. Pratiques de surface et d’assemblage: éviter les zones de soudure et les teintes thermiques sur les chemins thermiques primaires; si soudure nécessaire, planifier des traitements localisés pour restaurer la conductivité lorsque cela est possible.

7. Recommandation finale

L'amélioration de la conductivité thermique des alliages d'aluminium est une tâche multidisciplinaire combinant la conception des alliages, métallurgie de fusion, traitement thermique et formage.

Commencez par sélection des matériaux- alors seulement optimiser contrôles de processus (dégazage, filtration, méthode de coulée), suivi de traitement thermique et traitement mécanique pour fermer les défauts et ajuster la microstructure.

Là où la conductivité est essentielle à la mission, quantifier les cibles, nécessitent des tests électriques/thermiques, et accepter les compromis nécessaires entre résistance mécanique, coût et fabrication.

FAQ

L'oxyde noir augmente-t-il la conductivité thermique globale de l'aluminium?

Non, cela augmente l'émissivité de surface et donc la dissipation thermique radiative.. La masse k de l'alliage est inchangée par une finition de surface fine.

Le revêtement est-il toujours meilleur que le polissage?

Le polissage réduit la traînée convective et diminue l'émissivité (pire pour les radiations). Pour les performances globales du dissipateur thermique, un revêtement noir à ε élevé bat généralement le métal poli, sauf là où le rayonnement est négligeable et où la convection domine.

Quand le revêtement FIR est-il le plus efficace?

Là où les températures de surface sont modérées à élevées, où la convection est limitée (faible débit d'air), dans des environnements sous vide ou basse pression, ou pour réduire la température constante des composants, même sous flux d'air.

Références

1. ASM International. (2020). Volume du manuel ASM 2: Propriétés et sélection: Alliages non ferreux et matériaux spéciaux. ASM International.
2. Société américaine de fonderie. (2018). Manuel de moulage d'aluminium. Presse AFS.
3. Zhang, Y., et autres. (2021). Effets des éléments d'alliage et du traitement thermique sur la conductivité thermique des alliages d'aluminium de la série 6xxx. Journal de technologie de traitement des matériaux, 294, 117189.
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