Cara memperbaiki kekonduksian terma aloi aluminium?

Kekonduksian terma tinggi intrinsik aluminium adalah salah satu sifatnya yang paling berharga untuk aplikasi pemindahan haba dan terma-pengurusan.

Aluminium tulen mempamerkan kekonduksian terma ~ 237 w/(m · k) pada 25 ° C., Tetapi aloi komersial biasanya berkisar 80 ke 200 W/(m · k) bergantung pada komposisi dan pemprosesan.

Meningkatkan kekonduksian terma aloi aluminium memerlukan pendekatan yang disasarkan berdasarkan empat faktor pengaruh teras: Komposisi aloi, rawatan haba, amalan lebur, dan membentuk proses.

Artikel ini secara sistematik menganalisis mekanisme di sebalik setiap faktor dan mencadangkan strategi berasaskan bukti untuk mengoptimumkan prestasi terma, dengan tumpuan kepada kebolehgunaan perindustrian dan kelayakan teknikal.

1. Mengoptimumkan komposisi aloi: Meminimumkan kemerosotan kekonduksian terma

Elemen aloi adalah penentu utama aluminium Kekonduksian terma aloi, kerana mereka mengganggu pengangkutan elektron dan phonon - dua mekanisme utama pemindahan haba dalam logam.

Kesan setiap elemen bergantung pada kelarutannya, ikatan kimia, dan pembentukan fasa sekunder.

Untuk meningkatkan kekonduksian terma, Pengoptimuman Komposisi harus mengutamakan mengurangkan unsur -unsur berbahaya dan mengimbangi sifat fungsional (Mis., kekuatan, Rintangan kakisan) dengan kecekapan pemindahan haba.

Mekanisme pengaruh elemen aloi

Kekonduksian terma dalam aluminium dikuasai oleh pergerakan elektron: Kecacatan kekisi, Atom larut, dan fasa sekunder berselerak elektron, Meningkatkan rintangan haba.

Pemerhatian utama dari kajian metalurgi:

• Unsur -unsur yang sangat merugikan: Chromium (Cr), Lithium (Li), dan mangan (Mn) bentuk sebatian intermetallic yang stabil (Mis., Al₆mn, Alcr₂) dan menyebabkan gangguan kekisi yang teruk.
  Walaupun 0.5 Wt.% Cr mengurangkan kekonduksian terma aluminium tulen sebanyak 40-50%, manakala 1 wt.% li menurunkannya sebanyak ~ 35% (Data antarabangsa ASM).
• Unsur -unsur yang agak merugikan: Silikon (Dan), magnesium (Mg), dan tembaga (Cu) adalah elemen aloi biasa yang mengimbangi kekuatan dan kebolehpasaran.
  Kesannya adalah bergantung kepada kepekatan: 5 wt.% Si mengurangkan kekonduksian terma kepada ~ 160 w/(m · k), manakala 2 wt.% Cu menurunkannya kepada ~ 200 w/(m · k) (berbanding dengan murni al 237 W/(m · k)).
• Elemen kesan yang tidak dapat dielakkan: Antimoni (Sb), kadmium (CD), timah (Sn), dan bismut (Bi) mempunyai kelarutan yang rendah dalam aluminium (<0.1 wt.%) dan jangan membentuk fasa sekunder kasar.
  Menambah sehingga 0.3 Wt.% daripada unsur -unsur ini tidak mempunyai kesan yang boleh diukur terhadap kekonduksian terma, menjadikan mereka sesuai untuk mengubah suai sifat lain (Mis., kebolehkerjaan) tanpa mengorbankan pemindahan haba.

Strategi Pengoptimuman Komposisi

• Meminimumkan unsur -unsur yang berbahaya: Ketat mengawal Cr, Li, dan kandungan MN ke <0.1 wt.% untuk aloi konduktiviti tinggi. Contohnya, menggantikan 1 wt.%
  Mn dengan 0.5 wt.% mg dalam aloi siri 6xxx boleh meningkatkan kekonduksian terma dari 150 ke 180 W/(m · k) Semasa mengekalkan kekuatan yang setanding.
• Mengoptimumkan pengaliran berfungsi: Untuk siri 5xxx (Al-mg) aloi, Had Mg hingga 2-3% berat untuk mencapai keseimbangan kekonduksian terma (~ 180-200 w/(m · k)) dan rintangan kakisan.
  Untuk siri 6xxx (Al-mg-si) aloi, Gunakan Si:Nisbah mg 1.5:1 (Mis., 0.6 Wt.% Si + 0.4 wt.% mg) untuk membentuk precipitates mg₂si halus, yang mempunyai kesan minimum terhadap pengangkutan elektron.
• Gunakan jejak aloi: Tambahkan 0.1-0.2 wt.% SB atau SN untuk meningkatkan kebolehgunaan dan mengurangkan keretakan panas tanpa merendahkan kekonduksian terma.
  Ini amat berguna untuk aloi aluminium kemelut (99.9%+ Al) digunakan dalam pengurusan terma.

Kajian Kes: Konduktiviti tinggi aloi 6xxx-siri

Yang diubah suai 6063 aloi dengan fe dikurangkan (0.1 wt.%) dan Mn (0.05 wt.%) dan dioptimumkan Si (0.5 wt.%)/Mg (0.3 wt.%) mencapai kekonduksian terma 210 W/(m · k)-20% lebih tinggi daripada standard 6063 (175 W/(m · k))- sementara mengekalkan kekuatan hasil 140 MPA (Sesuai untuk aplikasi penyemperitan seperti tenggelam haba).

2. Rawatan haba menjahit: Mengurangkan herotan kekisi dan mengoptimumkan mikrostruktur

Rawatan haba mengubah struktur aloi aluminium (Mis., keadaan penyelesaian pepejal, Mengurangkan pengagihan, Integriti kekisi), secara langsung mempengaruhi penyebaran elektron dan kekonduksian terma.

Tiga proses rawatan haba utama -Annealing, pelindapkejutan, dan penuaan kesan yang berbeza terhadap prestasi terma.

Mekanisme pengaruh rawatan haba

• Pelindapkejutan: Penyejukan cepat (100-1000 ° C/s) dari suhu penyelesaian (500-550 ° C.) membentuk penyelesaian pepejal supersaturated, menyebabkan penyimpangan kisi yang teruk dan peningkatan penyebaran elektron.
  Ini mengurangkan kekonduksian terma sebanyak 10-15% berbanding dengan keadaan AS-CAST.
  Contohnya, dipadamkan 6061-T6 mempunyai kekonduksian terma ~ 167 w/(m · k), vs. 180 W/(m · k) untuk aloi as-annealed.
• Penyepuhlindapan: Pemanasan hingga 300-450 ° C dan memegang selama 1-4 jam melegakan penyimpangan kekisi, Menggalakkan pemendakan atom larut ke dalam fasa menengah yang baik, dan mengurangkan penyebaran elektron.
  Penyepuhlindapan penuh (420 ° C untuk 2 jam) boleh memulihkan kekonduksian haba sebanyak 8-12% dalam aloi yang dipadamkan.
• Penuaan: Penuaan semula jadi atau buatan (150-200 ° C selama 4-8 jam) Borang Precipitates Koheren (Mis., Mg₂si dalam aloi 6xxx), yang mempunyai kesan yang lebih kecil terhadap kekonduksian terma daripada herotan kekisi.
  Penuaan Buatan 6061-T651 (penuaan pasca quench) menghasilkan kekonduksian terma ~ 170 w/(m · k)- Lebih tinggi daripada T6 disebabkan oleh ketegangan kekisi yang dikurangkan.

Strategi pengoptimuman rawatan haba

• Mengutamakan penyepuhlindapan untuk kekonduksian yang tinggi: Untuk aplikasi di mana prestasi terma adalah kritikal (Mis., Lampiran Elektronik), Gunakan penyepuh penuh untuk memaksimumkan kekonduksian terma.
  Contohnya, Penyepuh 5052-H32 (bekerja sejuk) pada 350 ° C untuk 3 jam meningkatkan kekonduksian terma dari 170 ke 190 W/(m · k) dengan melegakan kecacatan kekisi yang disebabkan oleh kerja sejuk.
• Pelindapkejutan dan penuaan terkawal: Untuk aloi yang memerlukan kedua -dua kekuatan dan kekonduksian terma (Mis., komponen automotif), Gunakan proses penuaan dua langkah: pra-penuaan di 100 ° C untuk 1 jam diikuti oleh penuaan utama di 180 ° C untuk 4 jam.
  Ini terbentuk dengan baik, precipitates diedarkan seragam dengan herotan kekisi yang minimum, mengimbangi kekuatan hasil (180-200 MPa) dan kekonduksian terma (160-175 w/(m · k)) Dalam aloi 6xxx-siri.
• Elakkan terlalu banyak: Gunakan kadar penyejukan sederhana (50-100 ° C/s) untuk komponen keratan tebal untuk mengurangkan herotan kekisi sambil memastikan pengekalan larut yang mencukupi untuk penuaan.
  Pendekatan ini mengekalkan kekonduksian terma dalam 5% dari keadaan anil semasa mencapai kekuatan sasaran.

Contoh: Peningkatan kekonduksian haba dalam 7075 Aloi

Standard 7075-T6 mempunyai kekonduksian terma ~ 130 w/(m · k) kerana CU tinggi (2.1-2.9 wt.%) dan Zn (5.1-6.1 wt.%) kandungan.

Rawatan haba yang diubah suai (Penyelesaian Penyepuh pada 475 ° C untuk 1 jam, penyejukan udara, dan penuaan buatan di 120 ° C untuk 8 jam) peningkatan kekonduksian terma ke 145 W/(m · k) dengan mengurangkan herotan kekisi dan membentuk lebih baik.

3. Mengoptimumkan amalan lebur: Mengurangkan gas, Kemasukan, dan kecacatan

Keadaan lebur -termasuk kaedah penapisan, kawalan suhu, dan penyingkiran kekotoran - secara langsung memberi kesan kepada kebersihan aloi aluminium (kandungan gas, Kemasukan bukan logam) dan integriti mikrostruktur.

Gas (Mis., H₂) dan kemasukan (Mis., Al₂o₃, Mgo) bertindak sebagai halangan haba, mengurangkan kecekapan pemindahan haba dengan menyebarkan fonon dan mengganggu aliran elektron.

Mekanisme pengaruh lebur

• Kandungan gas: Hidrogen terlarut (H₂) membentuk keliangan semasa pemejalan, mewujudkan lompang yang mengurangkan kekonduksian terma.
  Kandungan hidrogen 0.2 ml/100g al dapat mengurangkan kekonduksian terma sebanyak 5-8% (Data Masyarakat Foundry American).
• Kemasukan bukan logam: Oksida (Al₂o₃), karbida, dan silikat bertindak sebagai kecacatan titik, penyebaran elektron dan fonon.
  Kemasukan lebih besar daripada 5 μm amat merosakkan kekonduksian terma sebanyak 10-15% dalam aloi dengan >0.5 Kandungan inklusi vol.%.
• Suhu lebur: Suhu yang terlalu tinggi (>780 ° C.) Meningkatkan pembentukan oksida dan kelarutan hidrogen, sementara suhu <680 ° C menyebabkan lebur dan pemisahan yang tidak lengkap.
  Kedua -dua senario merendahkan kekonduksian terma.

Strategi pengoptimuman lebur

• Suhu lebur terkawal: Mengekalkan suhu lebur 700-750 ° C untuk meminimumkan penyerapan gas dan pembentukan oksida.
  Julat ini mengimbangi ketidakstabilan (Kritikal untuk pemutus) dan kebersihan untuk kebanyakan aloi aluminium tempa dan membuang.
• Penapisan berkesan: Gunakan gabungan NaCl-Kcl (1:1 nisbah) Sebagai ejen penutup (2-3% berat dari cair) untuk mengelakkan pengoksidaan dan hexachloroethane (C₂cl₆) Sebagai ejen penapisan (0.1-0.2 wt.%) untuk membuang kemasukan hidrogen dan bukan logam.
  Ini mengurangkan kandungan hidrogen ke <0.1 ml/100g al dan kandungan kemasukan ke <0.2 Vol.%.
• Aditif dewaxing dan degassing: Menggabungkan 0.1-0.3 wt.% Fluorida Kalsium (Caf₂), Karbon diaktifkan, atau natrium klorida (NaCl) untuk mengurangkan keliangan dan kemasukan oksida.
  Aditif ini menggalakkan pengapungan kemasukan dan melepaskan gas terperangkap, Meningkatkan kekonduksian terma sebanyak 8-10%.
• Pencairan vakum untuk kesucian yang tinggi: Untuk aplikasi ultra tinggi-konduktiviti (Mis., Pengurusan terma aeroangkasa), Gunakan pencairan vakum (10⁻³ -10⁻⁴ Pa) untuk mengurangkan kandungan hidrogen ke <0.05 ml/100g al dan menghapuskan bahan pencemar atmosfera.
  Vakum-cair 1050 aluminium mencapai kekonduksian terma 230 W/(m · k)-97% Nilai Teori Aluminium Murni.

Pengesahan Perindustrian

Pengeluaran 356 aloi aluminium untuk kepala silinder automotif dilaksanakan amalan lebur yang dioptimumkan (720 ° C Suhu, NaCl-KCl meliputi ejen, dan C₂cl₆ menyempurnakan).

Aloi yang dihasilkan mempunyai kandungan hidrogen 0.08 ml/100g al dan kandungan kemasukan 0.15 Vol.%, membawa kepada peningkatan kekonduksian terma dari 150 ke 168 W/(m · k)-12% lebih tinggi daripada proses sebelumnya.

4. Meningkatkan proses pembentukan: Menapis mikrostruktur dan mengurangkan kecacatan

Proses membentuk (Mis., penyemperitan, bergulir, menunaikan) Ubah suai mikrostruktur aloi aluminium dengan mengurangkan kecacatan pemutus (Mis., keliangan, pemisahan, Biji -bijian kasar) dan meningkatkan keseragaman.

Memalsukan dan penyemperitan, khususnya, berkesan untuk meningkatkan kekonduksian terma dengan menapis saiz bijian dan menghapuskan ketidakseimbangan mikrostruktur.

Mekanisme membentuk pengaruh

• Penyemperitan: Ubah bentuk plastik yang tinggi (Nisbah penyemperitan 10:1 ke 50:1) memecah kemasukan berkerumun, porositas padat, dan mempromosikan penyambungan semula bijirin kasar, Biji seragam (10-50 μm).
  Ini mengurangkan penyebaran elektron dan meningkatkan pengangkutan phonon, Meningkatkan kekonduksian terma sebanyak 10-15% berbanding dengan keadaan ast-cast.
• Rolling/forging: Sama seperti penyemperitan, proses ini mengurangkan pemisahan dan memperbaiki bijirin.
  Contohnya, Rolling sejuk 1100 aluminium (99.0% Al) dengan a 70% Nisbah pengurangan menyempurnakan saiz bijian dari 100 μm (as-cast) ke 20 μm, meningkatkan kekonduksian terma dari 220 ke 230 W/(m · k).
• Pengurangan kecacatan: Proses membentuk menghilangkan kecacatan pemutus (Mis., keliangan pengecutan, pengasingan dendritik) yang bertindak sebagai halangan terma.
  Keliangan yang dipadatkan dan kemasukan yang rosak mengurangkan rintangan terma, membolehkan pemindahan haba yang lebih cekap.

Membentuk strategi pengoptimuman proses

• Penyemperitan ubah bentuk yang tinggi: Gunakan nisbah penyemperitan ≥20:1 untuk aloi aluminium cast untuk mencapai struktur semula dan struktur bijirin seragam penuh.
  Contohnya, extruding 6063 aloi dengan a 30:1 nisbah meningkatkan kekonduksian terma dari 175 (as-cast) ke 205 W/(m · k) dengan mengurangkan saiz bijian dari 80 ke 15 μm.
• Suhu penyemperitan terkawal: Extrude pada 400-450 ° C untuk mengimbangi pertumbuhan semula dan pertumbuhan bijirin.
  Suhu yang lebih tinggi (>480 ° C.) menyebabkan bijirin kasar, manakala suhu yang lebih rendah (<380 ° C.) Meningkatkan rintangan ubah bentuk dan boleh mengekalkan kecacatan kekisi.
• Penyepuh pasca pembentukan: Campurkan penyemperitan/bergulir dengan anneal suhu rendah (300-350 ° C untuk 1 jam) untuk melegakan tekanan sisa dan memperbaiki biji -bijian.
  Langkah ini dapat meningkatkan kekonduksian terma dengan tambahan 5-8% dalam aloi yang sangat cacat.

Kajian Kes: Diekstrusi 5052 Aloi untuk penukar haba

As-cast 5052 aloi mempunyai kekonduksian terma dari 175 W/(m · k) dengan 2% keliangan dan bijirin kasar (70 μm).

Selepas penyemperitan (nisbah 25:1, 420 ° C.) dan penyepuhlindapan (320 ° C untuk 1 jam), aloi dipamerkan 0.5% keliangan, bijirin halus (25 μm), dan kekonduksian terma dari 198 W/(m · k)-13% lebih tinggi daripada keadaan as-cast.

5. Kejuruteraan permukaan: tuas praktikal yang paling berkesan untuk tenggelam haba

Untuk tenggelam haba dan perkakasan haba luaran, emisiviti permukaan sering mengawal jumlah pelesapan haba bersamaan dengan perolakan.

Dua fakta praktikal untuk digunakan:

• Inframerah jauh (FIR) / Lapisan emissivity tinggi: Cat khusus atau lapisan berasaskan seramik ini dirumuskan untuk memancarkan dengan cekap di band inframerah terma (biasanya 3-20 μm).
  Mereka menaikkan emisiti permukaan ke ≈0.9 dan dengan itu meningkatkan kehilangan haba radiasi secara dramatik pada suhu permukaan sederhana hingga tinggi.
• Oksida hitam / anodize hitam / penukaran hitam selesai: kemasan seperti oksida hitam tahan lama (atau anodisasi hitam pada aluminium) Meningkatkan emisiti permukaan jauh di atas logam terang.
  Dalam amalan, "Hitam" selesai menghilangkan lebih banyak haba dengan radiasi daripada semula jadi (reflektif) permukaan aluminium.

Penjelasan penting: kemasan hitam dan salutan cemara Jangan menaikkan kekonduksian terma pukal, Tetapi mereka Meningkatkan pelesapan haba yang berkesan bahagian dengan meningkatkan radiasi (dan kadang -kadang gandingan konveksi melalui tekstur permukaan).
Mengatakan "oksida hitam melakukan haba lebih baik daripada warna semula jadi" hanya betul dalam erti kata pelesapan haba bersih dari permukaan - bukan bahawa bahan k meningkat.

6. Pelan tindakan praktikal & campur tangan yang diprioritaskan

Gunakan pendekatan yang dipentaskan yang mensasarkan keuntungan terbesar terlebih dahulu:

1. Pilihan aloi: Pilih yang paling sedikit, aloi konduktiviti tertinggi yang memenuhi keperluan kekuatan/kakisan.
2. Amalan cair: melaksanakan degassing, penutup fluks, Penapisan dan kawalan suhu yang ketat untuk meminimumkan liang dan kemasukan.
3. Pemilihan laluan pemutus: lebih suka proses yang menghasilkan keliangan yang rendah (acuan kekal, Pemutus Pemutus, Pelaburan Pelaburan dengan vakum) untuk komponen kritikal haba.
4. Penyebaran pasca-casting: Gunakan pinggul untuk aplikasi kritikal.
5. Pemprosesan terma: rawatan anneal atau reka bentuk penuaan untuk mendakan larutan larutan daripada penyelesaian apabila mungkin.
6. Membentuk: Sapukan penyemperitan/penempaan/rolling untuk menutup keliangan sisa dan homogenisasi struktur mikro.
7. Amalan permukaan dan menyertai: Elakkan zon kimpalan dan warna panas di laluan haba primer; Jika kimpalan diperlukan, merancang rawatan setempat untuk memulihkan kekonduksian di mana boleh dilaksanakan.

7. Cadangan Kesimpulan

Meningkatkan kekonduksian terma aloi aluminium adalah tugas pelbagai disiplin yang menggabungkan reka bentuk aloi, Meleleh metalurgi, rawatan haba dan pembentukan.

Mulakan dengan pemilihan bahan- Hanya kemudian mengoptimumkan kawalan proses (degassing, penapisan, Kaedah pemutus), diikuti oleh rawatan haba dan pemprosesan mekanikal Untuk menutup kecacatan dan menunaikan mikro.

Di mana kekonduksian misi kritikal, mengukur sasaran, memerlukan ujian elektrik/terma, dan menerima perdagangan yang diperlukan antara kekuatan mekanikal, kos dan pembuatan.

Soalan Lazim

Adakah oksida hitam meningkatkan kekonduksian terma pukal aluminium?

Tidak - ia menimbulkan emisiti permukaan dan dengan itu pelesapan haba radiasi. Pukal k aloi tidak berubah dengan kemasan permukaan nipis.

Adakah salutan selalu lebih baik daripada menggilap?

Menggilap mengurangkan seretan dan merendahkan emisiti (lebih buruk untuk radiasi). Untuk prestasi heat-sink secara keseluruhan, Salutan hitam tinggi ε biasanya mengalahkan logam yang digilap kecuali di mana radiasi boleh diabaikan dan perolakan menguasai.

Bilakah salutan FIR paling berkesan?

Di mana suhu permukaan sederhana hingga tinggi, di mana perolakan terhad (aliran udara yang rendah), dalam persekitaran vakum atau tekanan rendah, atau untuk mengurangkan suhu stabil komponen walaupun di bawah aliran udara.

Rujukan

1. ASM International. (2020). Volume Handbook ASM 2: Sifat dan pemilihan: Aloi tanpa ferus dan bahan tujuan khas. ASM International.
2. Persatuan Foundry Amerika. (2018). Buku Panduan Pemutus Aluminium. AFS Press.
3. Zhang, Y., et al. (2021). Kesan elemen aloi dan rawatan haba pada kekonduksian terma aloi aluminium siri 6xxx. Jurnal Teknologi Pemprosesan Bahan, 294, 117189.
4. Li, J., et al. (2022). Pengaruh parameter lebur dan penyemperitan pada kekonduksian terma dari 5052 aloi aluminium. Sains dan Kejuruteraan Bahan a, 845, 143126.
5. Davis, J. R. (2019). Aloi aluminium dan aluminium: Ciri -ciri, Sifat, dan aplikasi. ASM International.
6. Wang Hui. Pembangunan dan penyelidikan kemajuan aloi aluminium kekonduksian terma yang tinggi [J]. Foundry, 2019, 68(10):1104