Kaip pagerinti aliuminio lydinių šilumos laidumą?

Aliuminiui būdingas didelis šilumos laidumas yra vienas iš vertingiausių jo savybių šilumos perdavimo ir šilumos valdymo programoms..

Gryno aliuminio šilumos laidumas yra ~237 W/(m · k) 25 ° C temperatūroje, tačiau komerciniai lydiniai paprastai svyruoja nuo 80 į 200 W/(m · k) priklausomai nuo sudėties ir apdorojimo.

Norint pagerinti aliuminio lydinių šilumos laidumą, reikia taikyti tikslinį požiūrį, pagrįstą keturiais pagrindiniais įtakos veiksniais: lydinio kompozicija, terminis apdorojimas, lydymosi praktika, ir formavimo procesus.

Šiame straipsnyje sistemingai analizuojami kiekvieno veiksnio mechanizmai ir siūlomos įrodymais pagrįstos strategijos šiluminiam našumui optimizuoti., daugiausia dėmesio skiriant pramoniniam pritaikymui ir techniniam įgyvendinamumui.

1. Optimizuojanti lydinio sudėtį: Šilumos laidumo pablogėjimo sumažinimas

Legiravimo elementai yra pagrindiniai veiksniai aliuminis lydinių šilumos laidumas, nes jie sutrikdo elektronų ir fononų pernešimą – du pagrindinius šilumos perdavimo metaluose mechanizmus.

Kiekvieno elemento poveikis priklauso nuo jo tirpumo, cheminis sujungimas, ir antrinių fazių susidarymas.

Norėdami padidinti šilumos laidumą, optimizuojant kompoziciją, pirmenybė turėtų būti teikiama kenksmingų elementų mažinimui ir funkcinių savybių balansavimui (Pvz., stiprybė, atsparumas korozijai) su šilumos perdavimo efektyvumu.

Lydinio elementų įtakos mechanizmai

Aliuminio šilumos laidumui vyrauja elektronų judrumas: grotelių defektai, tirpių atomų, o antrinės fazės išsklaido elektronus, didinant šiluminę varžą.

Pagrindiniai metalurgijos tyrimų pastebėjimai:

• Labai žalingi elementai: Chromas (Kr), ličio (Li), ir manganas (Mn) sudaro stabilius intermetalinius junginius (Pvz., Al₆Mn, AlCr₂) ir sukelti stiprų gardelės iškraipymą.
  Net 0.5 masės % Cr sumažina gryno aliuminio šilumos laidumą 40–50 %, kol 1 masės % Li sumažina jį ~35 % (ASM International duomenys).
• Vidutiniškai žalingi elementai: Silicis (Ir), magnis (Mg), ir varis (Cu) yra įprasti legiravimo elementai, subalansuojantys stiprumą ir apdirbamumą.
  Jų poveikis priklauso nuo koncentracijos: 5 masės % Si sumažina šilumos laidumą iki ~160 W/(m · k), kol 2 masės % Cu sumažina iki ~200 W/(m · k) (palyginti su grynu Al’s 237 W/(m · k)).
• Nereikšmingi poveikio elementai: Stibis (SB), kadmis (CD), alavas (Sn), ir bismuto (Bi) turi mažą tirpumą aliuminyje (<0.1 Wt.%) ir nesudaro stambių antrinių fazių.
  Pridedant iki 0.3 % šių elementų neturi išmatuojamo poveikio šilumos laidumui, todėl jie tinkami kitoms savybėms keisti (Pvz., Aparatas) neprarandant šilumos perdavimo.

Kompozicijos optimizavimo strategijos

• Sumažinkite kenksmingų elementų skaičių: Griežtai kontroliuoti Kr, Li, ir Mn kiekis <0.1 masės % didelio šilumos laidumo lydiniams. Pavyzdžiui, pakeičiama 1 Wt.%
  Mn su 0.5 masės % Mg 6xxx serijos lydinyje gali padidinti šilumos laidumą nuo 150 į 180 W/(m · k) išlaikant panašią jėgą.
• Optimizuokite funkcinį legiravimą: 5xxx serijai (Al-mg) lydiniai, apriboti Mg iki 2–3 masės %, kad būtų pasiektas šilumos laidumo balansas (~180–200 W/(m · k)) ir atsparumas korozijai.
  6xxx serijai (Al-mg-si) lydiniai, naudokite Si:Mg santykis 1.5:1 (Pvz., 0.6 masės % Si + 0.4 masės % Mg) kad susidarytų smulkios Mg₂Si nuosėdos, kurie turi minimalų poveikį elektronų pernešimui.
• Naudokite pėdsakų lydinį: Įpilkite 0,1–0,2 masės % Sb arba Sn, kad pagerintumėte liejamumą ir sumažintumėte karštąjį įtrūkimą, nepablogindami šilumos laidumo.
  Tai ypač naudinga didelio grynumo aliuminio lydiniams (99.9%+ Al) naudojamas šilumos valdymui.

Atvejo analizė: Didelio laidumo 6xxx serijos lydinys

A modifikuotas 6063 lydinys su sumažintu Fe (0.1 Wt.%) ir Mn (0.05 Wt.%) ir optimizuotas Si (0.5 Wt.%)/Mg (0.3 Wt.%) pasiekė šilumos laidumą 210 W/(m · k)-20% didesnis nei standartinis 6063 (175 W/(m · k))– išlaikant takumo ribą 140 MPA (tinka ekstruzijos reikmėms, pavyzdžiui, aušintuvams).

2. Siuvimo terminis apdorojimas: Grotelių iškraipymo mažinimas ir mikrostruktūros optimizavimas

Terminis apdorojimas keičia aliuminio lydinio mikrostruktūrą (Pvz., kieto tirpalo būsena, nuosėdų pasiskirstymas, gardelės vientisumas), tiesiogiai veikia elektronų sklaidą ir šilumos laidumą.

Trys pirminiai terminio apdorojimo procesai – atkaitinimas, gesinimas, ir senėjimas – turi skirtingą poveikį šiluminėms savybėms.

Terminio apdorojimo įtakos mechanizmai

• Gesinimas: Greitas aušinimas (100–1000 °C/s) nuo tirpalo temperatūros (500–550 ° C.) sudaro persotintą kietą tirpalą, sukeldamas didelį gardelės iškraipymą ir padidindamas elektronų sklaidą.
  Tai sumažina šilumos laidumą 10–15%, palyginti su liejimo būsena.
  Pavyzdžiui, užgesinto 6061-T6 šilumos laidumas yra ~167 W/(m · k), vs. 180 W/(m · k) atkaitintam lydiniui.
• Atkaitinimas: Kaitinimas iki 300–450 °C ir palaikymas 1–4 valandas sumažina grotelių iškraipymą, skatina tirpių atomų nusodinimą į smulkias antrines fazes, ir sumažina elektronų sklaidą.
  Pilnas atkaitinimas (420 ° C 2 valandos) gali atkurti šilumos laidumą 8–12 % gesintose lydiniuose.
• Senėjimas: Natūralus ar dirbtinis senėjimas (150–200 °C 4–8 valandas) sudaro vientisas nuosėdas (Pvz., Mg₂Si 6xxx lydiniuose), kurios turi mažesnę įtaką šilumos laidumui nei gardelės iškraipymas.
  Dirbtinis 6061-T651 senėjimas (senėjimas po gesinimo) gaunamas ~170 W/ šilumos laidumas(m · k)-šiek tiek didesnis nei T6 dėl sumažėjusios gardelės deformacijos.

Terminio apdorojimo optimizavimo strategijos

• Pirmenybę teikite atkaitinimui, kad būtų užtikrintas didelis laidumas: Taikomoms programoms, kuriose šiluminis efektyvumas yra labai svarbus (Pvz., Elektroniniai gaubtai), naudokite visišką atkaitinimą, kad padidintumėte šilumos laidumą.
  Pavyzdžiui, atkaitinimas 5052-H32 (Šaltai) at 350 ° C 3 valandų padidina šilumos laidumą nuo 170 į 190 W/(m · k) šalinant šalto darbo sukeltus grotelių defektus.
• Kontroliuojamas gesinimas ir senėjimas: Lydiniams, kuriems reikalingas stiprumas ir šilumos laidumas (Pvz., Automobilių komponentai), naudoti dviejų pakopų senėjimo procesą: išankstinis senėjimas 100 ° C 1 valandą, po to pagrindinis sendinimas 180 ° C 4 valandos.
  Tai formuojasi gerai, tolygiai pasiskirsčiusios nuosėdos su minimaliu gardelės iškraipymu, balansuojantis takumo stiprumas (180–200 MPA) ir šilumos laidumas (160–175 W/(m · k)) 6xxx serijos lydiniuose.
• Venkite per didelio gesinimo: Naudokite vidutinį aušinimo greitį (50–100 °C/s) storo skerspjūvio komponentams, siekiant sumažinti gardelės iškraipymą, kartu užtikrinant pakankamą tirpių medžiagų sulaikymą senstant.
  Šis metodas palaiko šilumos laidumą viduje 5% atkaitintos būsenos, kartu pasiekiant tikslinį stiprumą.

Pavyzdys: Šilumos laidumo pagerinimas 7075 Lydinys

Standarto 7075-T6 šilumos laidumas yra ~130 W/(m · k) dėl didelio Cu (2.1–2,9 masės %) ir Zn (5.1–6,1 masės %) turinys.

Modifikuotas terminis apdorojimas (Sprendimo atkaitinimas 475 ° C 1 valanda, Oro aušinimas, ir dirbtinis senėjimas 120 ° C 8 valandos) padidintas šilumos laidumas iki 145 W/(m · k) sumažinant gardelės iškraipymą ir formuojant smulkesnes Al₂CuMg nuosėdas.

3. Lydymosi praktikos optimizavimas: Dujų mažinimas, Intarpai, ir Defektai

Lydymosi sąlygos, įskaitant rafinavimo metodus, temperatūros valdymas, ir nešvarumų pašalinimas – tiesiogiai veikia aliuminio lydinio švarumą (dujų kiekis, nemetaliniai intarpai) ir mikrostruktūrinis vientisumas.

Dujos (Pvz., H₂) ir intarpai (Pvz., Al₂o₃, MgO) veikia kaip šilumos barjeras, sumažinant šilumos perdavimo efektyvumą išsklaidant fononus ir sutrikdant elektronų srautą.

Lydymosi įtakos mechanizmai

• Dujų kiekis: Ištirpęs vandenilis (H₂) kietėjimo metu susidaro poringumas, susidaro tuštumos, mažinančios šilumos laidumą.
  Vandenilio kiekis 0.2 ml/100 g Al gali sumažinti šilumos laidumą 5–8 % (Amerikos liejyklų draugijos duomenys).
• Nemetaliniai intarpai: Oksidai (Al₂o₃), karbidai, o silikatai veikia kaip taškiniai defektai, sklaidantys elektronus ir fononus.
  Inkliuzai didesni nei 5 μm yra ypač žalingi – sumažina šilumos laidumą 10–15 % lydiniuose su >0.5 tūrio % įtraukimo kiekis.
• Lydymosi temperatūra: Per aukšta temperatūra (>780 ° C.) padidinti oksidų susidarymą ir vandenilio tirpumą, o temperatūros <680 °C sukelia nepilną tirpimą ir atsiskyrimą.
  Abu scenarijai mažina šilumos laidumą.

Lydymosi optimizavimo strategijos

• Kontroliuojama lydymosi temperatūra: Palaikykite 700–750 °C lydymosi temperatūrą, kad sumažintumėte dujų absorbciją ir oksidų susidarymą.
  Šis diapazonas subalansuoja sklandumą (kritinė liejimui) ir švara daugeliui kaltų ir lietų aliuminio lydinių.
• Efektyvus rafinavimas: Naudokite NaCl-KCl derinį (1:1 santykis) kaip dengiamoji priemonė (2–3 masės % lydalo) išvengti oksidacijos ir heksachloretano (C₂Cl6) kaip rafinavimo agentas (0.1–0,2 masės %) vandeniliui ir nemetaliniams intarpams pašalinti.
  Tai sumažina vandenilio kiekį iki <0.1 ml/100g Al ir įtraukimo kiekis iki <0.2 tūrio proc..
• Devaškavimo ir degazavimo priedai: Įdėkite 0,1–0,3 masės % kalcio fluorido (CaF₂), aktyvuota anglis, arba natrio chloridas (NaCl) poringumui ir oksidų intarpams mažinti.
  Šie priedai skatina inkliuzų flotaciją ir išskiria įstrigusias dujas, pagerina šilumos laidumą 8–10 proc..
• Didelio grynumo vakuuminis lydymas: Itin didelio laidumo programoms (Pvz., aviacijos ir erdvės šilumos valdymas), naudoti vakuuminį lydymą (10⁻³–10⁻⁴ Pa) sumažinti vandenilio kiekį iki <0.05 ml/100g Al ir pašalinti atmosferos teršalus.
  Vakuuminis išlydytas 1050 aliuminis pasiekia šilumos laidumą 230 W/(m · k)-97% gryno aliuminio teorinės vertės.

Pramoninis patvirtinimas

Liejykla, gaminanti 356 aliuminio lydinys, skirtas automobilių cilindrų galvutėms, įdiegė optimizuotą lydymosi praktiką (720 °C temperatūra, NaCl-KCl dengiamoji medžiaga, ir C2Cl6 rafinavimas).

Gautame lydinyje buvo vandenilio kiekis 0.08 ml/100g Al ir įtraukimo kiekis 0.15 tūrio proc., dėl kurių padidėja šilumos laidumas nuo 150 į 168 W/(m · k)-12% didesnis nei ankstesnis procesas.

4. Formavimo procesų gerinimas: Mikrostruktūros tobulinimas ir defektų mažinimas

Formavimo procesai (Pvz., išspaudimas, riedėjimas, kalimas) modifikuoti aliuminio lydinio mikrostruktūrą sumažinant liejimo defektus (Pvz., poringumas, segregation, stambių grūdų) ir pagerinti vienodumą.

Kalimas ir ekstruzija, ypač, yra veiksmingi didinant šilumos laidumą, rafinuojant grūdelių dydį ir pašalinant mikrostruktūrų nehomogeniškumą.

Poveikio formavimo mechanizmai

• Išspaudimas: Didelė plastinė deformacija (ekstruzijos santykis 10:1 į 50:1) suskaido susitelkusius inkliuzus, sutankina poringumą, ir skatina stambių lietų grūdelių perkristalizaciją į smulkius, vienodi grūdai (10–50 μm).
  Tai sumažina elektronų sklaidą ir pagerina fononų pernešimą, padidina šilumos laidumą 10–15%, palyginti su liejimo būsena.
• Valcavimas/kalimas: Panašus į ekstruziją, šie procesai mažina segregaciją ir rafinuoja grūdus.
  Pavyzdžiui, šaltas riedėjimas 1100 aliuminis (99.0% Al) su a 70% redukcijos koeficientas patobulina grūdelių dydį nuo 100 μm (AS-CAST) į 20 μm, didinant šilumos laidumą nuo 220 į 230 W/(m · k).
• Defektų mažinimas: Formavimo procesai pašalina liejimo defektus (Pvz., susitraukimo poringumas, dendritinė segregacija) kurios veikia kaip šiluminės kliūtys.
  Suspaustas poringumas ir sulūžę intarpai sumažina šiluminę varžą, leidžiantis efektyviau perduoti šilumą.

Procesų optimizavimo strategijų formavimas

• Aukštos deformacijos ekstruzija: Naudokite ≥20 ekstruzijos santykį:1 Lietam aliuminio lydiniams pasiekti visišką rekristalizaciją ir vienodą grūdėtumo struktūrą.
  Pavyzdžiui, išspaudimas 6063 lydinys su a 30:1 santykis padidino šilumos laidumą nuo 175 (AS-CAST) į 205 W/(m · k) mažinant grūdelių dydį nuo 80 į 15 μm.
• Kontroliuojama ekstruzijos temperatūra: Ekstruduoti 400–450 °C temperatūroje, kad subalansuotumėte rekristalizaciją ir grūdelių augimą.
  Aukštesnė temperatūra (>480 ° C.) sukelti grūdų sutirštėjimą, tuo tarpu žemesnė temperatūra (<380 ° C.) padidina atsparumą deformacijai ir gali išlaikyti grotelių defektus.
• Atkaitinimas po formavimo: Derinkite ekstruziją / valcavimą su žemos temperatūros atkaitinimu (300–350 °C už 1 valanda) sumažinti liekamąjį stresą ir toliau rafinuoti grūdus.
  Šis žingsnis gali padidinti šilumos laidumą dar 5–8 % labai deformuotų lydinių.

Atvejo analizė: Išspaustas 5052 Lydinys šilumokaičiams

As-cast 5052 lydinys turėjo šilumos laidumą 175 W/(m · k) su 2% poringumas ir stambūs grūdeliai (70 μm).

Po ekstruzijos (santykis 25:1, 420 ° C.) ir atkaitinimas (320 ° C 1 valanda), eksponuojamas lydinys 0.5% poringumas, smulkūs grūdai (25 μm), ir šilumos laidumo koeficientas 198 W/(m · k)-13% didesnis nei liejimo būsena.

5. Paviršiaus inžinerija: efektyviausia praktiška svirtis šilumos kriauklėms

Šilumnešiams ir išorinei šiluminei įrangai, paviršiaus spinduliuotė dažnai kontroliuoja bendrą šilumos išsklaidymą kartu su konvekcija.

Du praktiniai faktai, kuriuos reikia naudoti:

• Tolimųjų infraraudonųjų spindulių (FIR) / didelio spinduliavimo dangos: šie specializuoti dažai arba keraminės dangos yra sukurti taip, kad efektyviai spinduliuotų šiluminėje infraraudonųjų spindulių juostoje (paprastai 3–20 µm).
  Jie padidina paviršiaus spinduliavimo koeficientą iki ≈0,9 ir taip smarkiai padidina spinduliavimo šilumos nuostolius esant vidutinei ir aukštai paviršiaus temperatūrai.
• Juodas oksidas / Juoda anodize / juoda konversijos apdaila: patvari juodo oksido pavidalo apdaila (arba juodas anodavimas ant aliuminio) padidina paviršiaus spinduliuotę, gerokai viršijančią šviesų metalą.
  Praktiškai, „Juoda“ apdaila spinduliuojant išsklaido daugiau šilumos nei natūrali (Atspindintis) aliuminio paviršiai.

Svarbus paaiškinimas: juoda apdaila ir FIR dangos nepadidinkite tūrinio šilumos laidumo, bet jie padidinti efektyvų šilumos išsklaidymą gerinant spinduliuotę (ir kartais konvekcinis sujungimas per paviršiaus tekstūrą).
Posakis „juodasis oksidas geriau praleidžia šilumą nei natūrali spalva“ yra teisingas tik ta prasme grynasis šilumos išsklaidymas nuo paviršiaus - ne tai, kad medžiagos k didėja.

6. Praktinis planas & prioritetinės intervencijos

Naudokite etapinį metodą, kuris pirmiausia siekia didžiausio pelno:

1. Lydinio pasirinkimas: pasirinkti mažiausiai legiruotą, aukščiausio laidumo lydinys, atitinkantis stiprumo / korozijos poreikius.
2. Lydymosi praktika: įgyvendinti degazavimą, srauto dangtelis, filtravimas ir griežta temperatūros kontrolė, siekiant sumažinti poras ir intarpus.
3. Liejimo maršruto pasirinkimas: pirmenybę teikia procesams, kurių poringumas mažas (nuolatinis pelėsis, išspauskite liejimą, Investicijų liejimas su vakuumu) šilumai svarbiems komponentams.
4. Tankinimas po liejimo: naudoti HIP kritinėms programoms.
5. Terminis apdorojimas: atkaitinti arba suplanuoti senėjimo apdorojimą, kad tirpalas, kai įmanoma, nusodintų iš tirpalo.
6. Formavimas: naudokite ekstruziją / kalimą / valcavimą, kad uždarytumėte likutinį poringumą ir homogenizuotų mikrostruktūrą.
7. Paviršiaus ir sujungimo praktika: vengti suvirinimo zonų ir karščio atspalvių pirminiuose šilumos keliuose; jei reikalingas suvirinimas, planuokite vietinį gydymą, kad atkurtumėte laidumą, jei įmanoma.

7. Baigiamoji rekomendacija

Aliuminio lydinio šilumos laidumo gerinimas yra daugiadisciplinė užduotis, derinanti lydinio dizainą, lydalo metalurgija, terminis apdorojimas ir formavimas.

Pradėkite nuo Medžiagos pasirinkimas– tik tada optimizuokite procesų valdikliai (Degazavimas, filtravimas, liejimo metodas), sekė terminis apdorojimas ir mechaninis apdorojimas pašalinti defektus ir suderinti mikrostruktūrą.

Kai laidumas yra labai svarbus, kiekybiškai įvertinti tikslus, reikalingas elektrinis / terminis bandymas, ir priimti būtinus kompromisus tarp mechaninio stiprumo, Kaina ir gaminamumas.

DUK

Ar juodasis oksidas padidina aliuminio tūrinį šilumos laidumą?

Ne – tai padidina paviršiaus spinduliuotę ir taip spinduliuojančią šilumos išsklaidymą. Didžiąją lydinio k dalį nepakeičia plona paviršiaus apdaila.

Ar dengimas visada geriau nei poliravimas?

Poliravimas sumažina konvekcinį pasipriešinimą ir sumažina emisiją (blogiau radiacijai). Bendram aušintuvo veikimui, didelio ε juoda danga paprastai pranoksta poliruotą metalą, išskyrus atvejus, kai spinduliuotė yra nereikšminga ir vyrauja konvekcija.

Kada FIR danga yra efektyviausia?

Kur paviršiaus temperatūra yra nuo vidutinės iki aukštos, kur konvekcija ribota (mažas oro srautas), vakuuminėje arba žemo slėgio aplinkoje, arba sumažinti komponento pastovios būsenos temperatūrą net esant oro srautui.

Nuorodos

1. ASM International. (2020). ASM vadovo tomas 2: Savybės ir pasirinkimas: Spalvotųjų metalų lydiniai ir specialios paskirties medžiagos. ASM International.
2. Amerikos liejyklų draugija. (2018). Aliuminio liejimo vadovas. AFS spauda.
3. Zhang, Y., ir kt. (2021). Legiruojamųjų elementų ir terminio apdorojimo poveikis 6xxx serijos aliuminio lydinių šilumos laidumui. Medžiagų apdorojimo technologijos žurnalas, 294, 117189.
4. Li, J., ir kt. (2022). Lydymosi ir ekstruzijos parametrų įtaka šilumos laidumui 5052 aliuminio lydinys. Medžiagų mokslas ir inžinerija A, 845, 143126.
5. Davis, J. R. (2019). Aliuminis ir aliuminio lydiniai: Charakteristikos, Savybės, ir programos. ASM International.
6. Wang Hui. Didelio šilumos laidumo aliuminio lydinių kūrimo ir tyrimų pažanga [J]. Liejykla, 2019, 68(10):1104