Kā uzlabot alumīnija sakausējumu siltumvadītspēju?

Alumīnija augstā siltumvadītspēja ir viens no tā vērtīgākajiem atribūtiem siltuma pārneses un siltuma pārvaldības lietojumos.

Tīra alumīnija siltumvadītspēja ir ~237 W/(m · k) 25 ° C temperatūrā, bet komerciālie sakausējumi parasti svārstās no 80 līdz 200 W/(m · k) atkarībā no sastāva un apstrādes.

Lai uzlabotu alumīnija sakausējumu siltumvadītspēju, nepieciešama mērķtiecīga pieeja, kuras pamatā ir četri galvenie ietekmējošie faktori: sakausējuma sastāvs, termiskā apstrāde, kausēšanas prakse, un formēšanas procesi.

Šajā rakstā sistemātiski analizēti katra faktora mehānismi un ierosinātas uz pierādījumiem balstītas stratēģijas, lai optimizētu siltuma veiktspēju., koncentrējoties uz rūpniecisko pielietojamību un tehnisko iespējamību.

1. Sakausējuma sastāva optimizēšana: Siltumvadītspējas samazināšanās līdz minimumam

Leģējošie elementi ir galvenie noteicošie faktori alumīnijs sakausējumu siltumvadītspēja, jo tie traucē elektronu un fononu transportu — divus galvenos siltuma pārneses mehānismus metālos.

Katra elementa ietekme ir atkarīga no tā šķīdības, ķīmiskā saistīšana, un sekundāro fāžu veidošanās.

Lai uzlabotu siltumvadītspēju, kompozīcijas optimizācijai par prioritāti vajadzētu noteikt kaitīgo elementu samazināšanu un funkcionālo īpašību līdzsvarošanu (Piem., izturība, izturība pret koroziju) ar siltuma pārneses efektivitāti.

Sakausējuma elementu ietekmes mehānismi

Alumīnija siltumvadītspējā dominē elektronu kustīgums: režģa defekti, izšķīdušo vielu atomi, un sekundārās fāzes izkliedē elektronus, siltuma pretestības palielināšana.

Galvenie novērojumi no metalurģijas pētījumiem:

• Ļoti kaitīgi elementi: Hroms (Krekls), litijs (Lich), un mangāns (Nojaukšanās) veido stabilus intermetāliskus savienojumus (Piem., Al₆Mn, AlCr₂) un izraisīt nopietnus režģa kropļojumus.
  Vienāds 0.5 mas.% Cr samazina tīra alumīnija siltumvadītspēju par 40–50%, kamēr 1 masas% Li samazina to par ~35% (ASM International dati).
• Vidēji kaitīgi elementi: Silīcijs (Un), magnijs (Mg), un vara (Cu) ir izplatīti sakausējuma elementi, kas līdzsvaro izturību un apstrādājamību.
  To ietekme ir atkarīga no koncentrācijas: 5 masas % Si samazina siltumvadītspēju līdz ~160 W/(m · k), kamēr 2 mas.% Cu samazina to līdz ~200 W/(m · k) (salīdzinot ar tīro Al's 237 W/(m · k)).
• Nenozīmīgi ietekmes elementi: Antimons (SB), kadmijs (Kompaktdisks), alvas (Sn), un bismuts (Biplekāts) ir zema šķīdība alumīnijā (<0.1 wt.%) un neveido rupjas sekundārās fāzes.
  Saskaita līdz 0.3 mas.% no šiem elementiem nav izmērāmas ietekmes uz siltumvadītspēju, padarot tos piemērotus citu īpašību modificēšanai (Piem., mašīnīgums) nezaudējot siltuma pārnesi.

Kompozīcijas optimizācijas stratēģijas

• Samaziniet kaitīgos elementus: Stingri kontrolēt Cr, Lich, un Mn saturs līdz <0.1 masas % sakausējumiem ar augstu siltumvadītspēju. Piemēram, nomaiņa 1 wt.%
  Mn ar 0.5 masas % Mg 6xxx sērijas sakausējumā var palielināt siltumvadītspēju no 150 līdz 180 W/(m · k) vienlaikus saglabājot salīdzināmu spēku.
• Optimizējiet funkcionālo sakausējumu: 5xxx sērijai (Al-MG) sakausējumi, ierobežot Mg līdz 2–3 masas %, lai panāktu siltumvadītspējas līdzsvaru (~180–200 W/(m · k)) un izturība pret koroziju.
  6xxx sērijai (Al-Mg-Si) sakausējumi, izmantojiet Si:Mg attiecība 1.5:1 (Piem., 0.6 masas % Si + 0.4 masas % Mg) veido smalkas Mg₂Si nogulsnes, kam ir minimāla ietekme uz elektronu transportēšanu.
• Izmantojiet Trace Alloying: Pievienojiet 0,1–0,2 masas % Sb vai Sn, lai uzlabotu liejamību un samazinātu karsto plaisāšanu, nepazeminot siltumvadītspēju.
  Tas ir īpaši noderīgi augstas tīrības pakāpes alumīnija sakausējumiem (99.9%+ Al) izmanto siltuma pārvaldībā.

Gadījuma izpēte: Augstas vadītspējas 6xxx sērijas sakausējums

A modificēts 6063 sakausējums ar samazinātu Fe (0.1 wt.%) un Mn (0.05 wt.%) un optimizētais Si (0.5 wt.%)/Mg (0.3 wt.%) sasniedza siltumvadītspēju 210 W/(m · k)-20% augstāks nekā standarta 6063 (175 W/(m · k))— vienlaikus saglabājot tecēšanas robežu 140 MPA (piemērots ekstrūzijai, piemēram, siltuma izlietnēm).

2. Pielāgošana termiskā apstrāde: Režģa kropļojumu samazināšana un mikrostruktūras optimizēšana

Termiskā apstrāde maina alumīnija sakausējuma mikrostruktūru (Piem., cietā šķīduma stāvoklī, nokrišņu sadalījums, režģa integritāte), kas tieši ietekmē elektronu izkliedi un siltumvadītspēju.

Trīs primārie termiskās apstrādes procesi - atkausēšana, rūdīšana, un novecošanās — būtiski ietekmē termisko veiktspēju.

Termiskās apstrādes ietekmes mehānismi

• Rūdīšana: Ātra dzesēšana (100–1000 °C/s) no šķīduma temperatūras (500–550 ° C) veido pārsātinātu cietu šķīdumu, izraisot nopietnus režģa kropļojumus un palielinātu elektronu izkliedi.
  Tas samazina siltumvadītspēju par 10–15%, salīdzinot ar liešanas stāvokli.
  Piemēram, rūdīta 6061-T6 siltumvadītspēja ir ~167 W/(m · k), vs. 180 W/(m · k) atkausētam sakausējumam.
• Rūdīšana: Sildīšana līdz 300–450 °C un turēšana 1–4 stundas novērš režģa deformāciju, veicina izšķīdušo atomu izgulsnēšanos smalkās sekundārās fāzēs, un samazina elektronu izkliedi.
  Pilna atkausēšana (420 ° C 2 laiks) var atjaunot siltumvadītspēju par 8–12% rūdītos sakausējumos.
• Novecošanās: Dabiska vai mākslīga novecošana (150–200 °C 4–8 stundas) veido sakarīgas nogulsnes (Piem., Mg₂Si 6xxx sakausējumos), kam ir mazāka ietekme uz siltumvadītspēju nekā režģa deformācijai.
  6061-T651 mākslīgā novecošana (novecošana pēc dzēšanas) rada siltumvadītspēju ~170 W/(m · k)— nedaudz augstāks par T6 samazinātas režģa deformācijas dēļ.

Termiskās apstrādes optimizācijas stratēģijas

• Augstas vadītspējas nodrošināšanai dodiet priekšroku atkvēlināšanai: Lietojumiem, kur siltuma veiktspēja ir kritiska (Piem., elektroniski iežogojumi), izmantojiet pilnu atkausēšanu, lai maksimāli palielinātu siltumvadītspēju.
  Piemēram, atkausēšana 5052-H32 (auksti izstrādāts) pie 350 ° C 3 stundas palielina siltumvadītspēju no 170 līdz 190 W/(m · k) novēršot aukstā darba radītos režģa defektus.
• Kontrolēta dzēšana un novecošana: Sakausējumiem, kuriem nepieciešama gan izturība, gan siltumvadītspēja (Piem., automobiļu komponenti), izmantot divpakāpju novecošanas procesu: iepriekšēja novecošana plkst 100 ° C 1 stundu, kam seko galvenā novecošana plkst 180 ° C 4 laiks.
  Tas veido labi, vienmērīgi sadalītas nogulsnes ar minimālu režģa deformāciju, balansēšanas tecēšanas robeža (180–200 MPa) un siltumvadītspēja (160-175 W/(m · k)) 6xxx sērijas sakausējumos.
• Izvairieties no pārmērīgas slāpēšanas: Izmantojiet mērenu dzesēšanas ātrumu (50–100 °C/s) biezas daļas komponentiem, lai samazinātu režģa kropļojumus, vienlaikus nodrošinot pietiekamu izšķīdušās vielas aizturi novecošanai.
  Šī pieeja saglabā siltumvadītspēju iekšpusē 5% atkvēlinātajā stāvoklī, vienlaikus sasniedzot mērķa stiprību.

Piemērs: Siltumvadītspējas uzlabošana in 7075 Sakausējums

Standarta 7075-T6 siltumvadītspēja ir ~130 W/(m · k) augstā Cu dēļ (2.1–2,9 masas %) un Zn (5.1–6,1 masas %) apmierināts.

Modificēta termiskā apstrāde (šķīduma atkausēšana plkst 475 ° C 1 stunda, dzesēšana, un mākslīgā novecošana plkst 120 ° C 8 laiks) paaugstināta siltumvadītspēja līdz 145 W/(m · k) samazinot režģa deformāciju un veidojot smalkākas Al₂CuMg nogulsnes.

3. Kausēšanas prakses optimizēšana: Samazinošas gāzes, Ieslēgumi, un defekti

Kušanas apstākļi, tostarp rafinēšanas metodes, temperatūras kontrole, un piemaisījumu noņemšana — tieši ietekmē alumīnija sakausējuma tīrību (gāzes saturs, nemetāliski ieslēgumi) un mikrostrukturālā integritāte.

Gāzes (Piem., H₂) un ieslēgumi (Piem., Al₂o₃, MgO) darbojas kā siltuma barjeras, samazinot siltuma pārneses efektivitāti, izkliedējot fononus un izjaucot elektronu plūsmu.

Kušanas ietekmes mehānismi

• Gāzes saturs: Izšķīdis ūdeņradis (H₂) sacietēšanas laikā veido porainību, radot tukšumus, kas samazina siltumvadītspēju.
  Ūdeņraža saturs 0.2 ml/100g Al var samazināt siltumvadītspēju par 5–8% (American Foundry Society dati).
• Nemetāliski ieslēgumi: Oksīdi (Al₂o₃), karbīdi, un silikāti darbojas kā punktveida defekti, elektronu un fononu izkliedēšana.
  Ieslēgumi lielāki par 5 μm ir īpaši kaitīgi — samazina siltumvadītspēju par 10–15% sakausējumos ar >0.5 tilp.% iekļaušanas saturs.
• Kūstoša temperatūra: Pārāk augsta temperatūra (>780 ° C) palielināt oksīdu veidošanos un ūdeņraža šķīdību, kamēr temperatūra <680 °C izraisa nepilnīgu kušanu un segregāciju.
  Abi scenāriji pasliktina siltumvadītspēju.

Kušanas optimizācijas stratēģijas

• Kontrolēta kušanas temperatūra: Uzturiet kušanas temperatūru 700–750 °C, lai samazinātu gāzes absorbciju un oksīdu veidošanos.
  Šis diapazons līdzsvaro plūstamību (kritisks liešanai) un tīrība lielākajai daļai kalto un lieto alumīnija sakausējumu.
• Efektīva rafinēšana: Izmantojiet NaCl-KCl kombināciju (1:1 attiecība) kā pārklājuma līdzeklis (2–3 masas % no kausējuma) lai novērstu oksidēšanos un heksahloretānu (C₂Cl6) kā rafinēšanas līdzeklis (0.1–0,2 masas %) ūdeņraža un nemetālisku ieslēgumu noņemšanai.
  Tas samazina ūdeņraža saturu līdz <0.1 ml/100g Al un iekļaušanas saturs līdz <0.2 tilp.%.
• Devaskošanas un degazēšanas piedevas: Iekļauts 0,1–0,3 masas % kalcija fluorīda (CaF₂), aktivētā ogle, vai nātrija hlorīds (NaCl) lai samazinātu porainību un oksīdu ieslēgumus.
  Šīs piedevas veicina ieslēgumu flotāciju un atbrīvo notvertās gāzes, siltuma vadītspējas uzlabošana par 8-10%.
• Kausēšana ar vakuumu augstai tīrībai: Īpaši augstas vadītspējas lietojumiem (Piem., aviācijas un kosmosa siltuma vadība), izmantojiet vakuumkausēšanu (10⁻³–10⁻⁴ Pa) lai samazinātu ūdeņraža saturu līdz <0.05 ml/100g Al un likvidēt atmosfēras piesārņotājus.
  Vakuumā izkausēts 1050 alumīnijs sasniedz siltumvadītspēju 230 W/(m · k)-97% no tīra alumīnija teorētiskās vērtības.

Rūpnieciskā validācija

Lietuve, kas ražo 356 alumīnija sakausējums automobiļu cilindru galvām ieviesa optimizētu kausēšanas paņēmienu (720 °C temperatūra, NaCl-KCl pārklājošais līdzeklis, un C2Cl₆ attīrīšana).

Iegūtajā sakausējumā bija ūdeņraža saturs 0.08 ml/100g Al un iekļaušanas saturs 0.15 tilp.%, kas noved pie siltuma vadītspējas palielināšanās no 150 līdz 168 W/(m · k)—12% augstāks nekā iepriekšējā procesā.

4. Veidošanās procesu uzlabošana: Mikrostruktūras uzlabošana un defektu samazināšana

Veidošanas procesi (Piem., ekstrūzija, ritošs, kalšana) pārveidot alumīnija sakausējuma mikrostruktūru, samazinot liešanas defektus (Piem., porainība, segregācija, rupji graudi) un vienveidības uzlabošana.

Kalšana un ekstrūzija, jo īpaši, efektīvi uzlabo siltumvadītspēju, uzlabojot graudu izmēru un novēršot mikrostrukturālās neviendabības.

Ietekmes veidošanās mehānismi

• Ekstrūzija: Augsta plastiskā deformācija (ekstrūzijas attiecība 10:1 līdz 50:1) sadala grupētos ieslēgumus, sablīvē porainību, un veicina rupjo lieto graudu pārkristalizāciju smalkos, Vienveidīgi graudi (10–50 μm).
  Tas samazina elektronu izkliedi un uzlabo fononu transportēšanu, palielinot siltumvadītspēju par 10–15%, salīdzinot ar liešanas stāvokli.
• Velmēšana/kalšana: Līdzīgi kā ekstrūzija, šie procesi samazina segregāciju un attīra graudus.
  Piemēram, aukstā ripošana 1100 alumīnijs (99.0% Al) ar a 70% samazinājuma koeficients rafinē graudu izmēru no 100 μm (tikpat ietērpts) līdz 20 μm, palielinot siltumvadītspēju no 220 līdz 230 W/(m · k).
• Defektu samazināšana: Formēšanas procesi novērš liešanas defektus (Piem., saraušanās porainība, dendrītu segregācija) kas darbojas kā siltuma barjeras.
  Sablīvēta porainība un salauzti ieslēgumi samazina termisko pretestību, kas nodrošina efektīvāku siltuma pārnesi.

Procesu optimizācijas stratēģiju veidošana

• Augstas deformācijas ekstrūzija: Izmantojiet ekstrūzijas attiecību ≥20:1 lietiem alumīnija sakausējumiem, lai panāktu pilnīgu pārkristalizāciju un vienmērīgu graudu struktūru.
  Piemēram, izgrūdis 6063 sakausējums ar a 30:1 attiecība palielināja siltumvadītspēju no 175 (tikpat ietērpts) līdz 205 W/(m · k) samazinot graudu izmēru no 80 līdz 15 μm.
• Kontrolēta ekstrūzijas temperatūra: Ekstrūdēt 400–450 °C, lai līdzsvarotu pārkristalizāciju un graudu augšanu.
  Augstāka temperatūra (>480 ° C) izraisīt graudu rupjību, kamēr zemāka temperatūra (<380 ° C) palielināt izturību pret deformāciju un var saglabāt režģa defektus.
• Atlaidināšana pēc formēšanas: Apvienojiet ekstrūziju/velmēšanu ar atlaidināšanu zemā temperatūrā (300-350 °C par 1 stunda) lai mazinātu atlikušo stresu un turpinātu graudu attīrīšanu.
  Šis solis var palielināt siltumvadītspēju vēl par 5–8% ļoti deformētu sakausējumu gadījumā.

Gadījuma izpēte: Izgrūdis 5052 Siltummaiņu sakausējums

Kā-cast 5052 sakausējuma siltumvadītspēja bija 175 W/(m · k) ar 2% porainība un rupji graudi (70 μm).

Pēc ekstrūzijas (attiecība 25:1, 420 ° C) un atkausēšana (320 ° C 1 stunda), izstādītais sakausējums 0.5% porainība, smalki graudi (25 μm), un siltumvadītspēja 198 W/(m · k)— par 13% augstāks nekā agregātstāvoklī.

5. Virsmas inženierija: visefektīvākā praktiskā svira siltuma izlietnēm

Siltuma izlietnēm un ārējai termoaparatūrai, virsmas emisijas spēja bieži kontrolē kopējo siltuma izkliedi saskaņoti ar konvekciju.

Divi praktiski fakti, kas jāizmanto:

• Tālo infrasarkano staru (FIR) / augstas emisijas pārklājumi: šīs specializētās krāsas vai keramikas pārklājumi ir izstrādāti tā, lai tie efektīvi izstarotu termiskajā infrasarkanajā joslā (parasti 3–20 µm).
  Tie paaugstina virsmas izstarojuma koeficientu līdz ≈0,9 un tādējādi ievērojami palielina siltuma zudumus mērenā vai augstā virsmas temperatūrā..
• Melnais oksīds / melns anodēt / melna pārveidošanas apdare: izturīga melna oksīda veida apdare (vai melna anodēšana uz alumīnija) palielina virsmas izstarošanos daudz virs spilgtā metāla.
  Praksē, “Melnā” apdare ar starojumu izkliedē vairāk siltuma nekā dabiskā (atstarojošs) alumīnija virsmas.

Svarīgs precizējums: melnā apdare un FIR pārklājumi nepalieliniet tilpuma siltumvadītspēju, bet viņi palielināt efektīvo siltuma izkliedi daļu, uzlabojot starojumu (un dažreiz konvektīva sakabe, izmantojot virsmas tekstūru).
Teikums “melnais oksīds labāk vada siltumu nekā dabiskā krāsa” ir pareizi tikai tādā nozīmē neto siltuma izkliede no virsmas — nevis tas, ka materiāla k palielinās.

6. Praktisks ceļvedis & prioritāras iejaukšanās

Izmantojiet pakāpenisku pieeju, kas vispirms vērsta uz lielāko ieguvumu:

1. Sakausējuma izvēle: izvēlieties vismazāk leģēto, augstākās vadītspējas sakausējums, kas atbilst izturības/korozijas vajadzībām.
2. Izkausēšanas prakse: īstenot degazēšanu, plūsmas vāks, filtrēšana un stingra temperatūras kontrole, lai samazinātu poras un ieslēgumus.
3. Casting maršruta izvēle: dod priekšroku procesiem, kas rada zemu porainību (pastāvīgs-pelējums, izspiest liešanu, investīciju liešana ar vakuumu) karstumkritiskiem komponentiem.
4. Pēcliešanas blīvēšana: izmantojiet HIP kritiskām lietojumprogrammām.
5. Termiskā apstrāde: atkvēliniet vai plānojiet novecošanas apstrādi, lai, ja iespējams, izgulsnētu izšķīdušo vielu no šķīduma.
6. Veidošanās: izmantot ekstrūzijas/kalšanas/velmēšanas metodi, lai aizvērtu atlikušo porainību un homogenizētu mikrostruktūru.
7. Virsmas un savienošanas prakse: izvairieties no metināšanas zonām un siltuma nokrāsām primārajos siltuma ceļos; ja nepieciešama metināšana, ja iespējams, plānojiet lokalizētu ārstēšanu, lai atjaunotu vadītspēju.

7. Noslēguma ieteikums

Alumīnija sakausējuma siltumvadītspējas uzlabošana ir daudznozaru uzdevums, kas apvieno sakausējuma dizainu, kausējuma metalurģija, termiskā apstrāde un formēšana.

Sāciet ar materiālu izvēle— tikai pēc tam optimizējiet procesa kontrole (degviela, filtrēšana, liešanas metode), seko termiskā apstrāde un mehāniskā apstrāde lai novērstu defektus un noregulētu mikrostruktūru.

Kur vadītspēja ir svarīga misijai, kvantitatīvi noteikt mērķus, nepieciešama elektriskā/termiskā pārbaude, un pieņemt nepieciešamos kompromisus starp mehānisko izturību, izmaksas un ražojamība.

FAQ

Vai melnais oksīds palielina alumīnija siltuma vadītspēju?

Nē — tas palielina virsmas izstarošanos un tādējādi siltuma izstarojuma izkliedi. Sakausējuma k lielāko daļu nemaina plāna virsmas apdare.

Vai pārklāšana vienmēr ir labāka par pulēšanu?

Pulēšana samazina konvektīvo pretestību un pazemina emisijas spēju (sliktāk radiācijai). Vispārējai siltuma izlietnes veiktspējai, augstas ε melns pārklājums parasti pārspēj pulētu metālu, izņemot gadījumus, kad starojums ir niecīgs un dominē konvekcija.

Kad FIR pārklājums ir visefektīvākais?

Vietās, kur virsmas temperatūra ir no vidējas līdz augstai, kur konvekcija ir ierobežota (zema gaisa plūsma), vakuuma vai zema spiediena vidē, vai samazināt komponentu līdzsvara stāvokļa temperatūru pat gaisa plūsmas apstākļos.

Atsauces

1. ASM International. (2020). ASM rokasgrāmatas sējums 2: Īpašības un izvēle: Krāsaino metālu sakausējumi un īpašiem materiāliem. ASM International.
2. Amerikas lietuvju biedrība. (2018). Alumīnija liešanas rokasgrāmata. AFS Prese.
3. Džans, Y., et al. (2021). Leģējošu elementu un termiskās apstrādes ietekme uz 6xxx sērijas alumīnija sakausējumu siltumvadītspēju. Materiālu apstrādes tehnoloģiju žurnāls, 294, 117189.
4. Lich, Dž., et al. (2022). Kušanas un ekstrūzijas parametru ietekme uz siltumvadītspēju 5052 alumīnija sakausējums. Materiālzinātne un inženierzinātnes A, 845, 143126.
5. Deiviss, Jūti. R. (2019). Alumīnijs un alumīnija sakausējumi: Raksturojums, Īpašības, un pieteikumi. ASM International.
6. Van Hui. Augstas siltumvadītspējas alumīnija sakausējumu izstrāde un izpēte [Jūti]. Lietuve, 2019, 68(10):1104