Как улучшить теплопроводность алюминиевых сплавов?

Присущая алюминию высокая теплопроводность является одним из его наиболее ценных свойств для применения в области теплопередачи и управления температурным режимом..

Чистый алюминий имеет теплопроводность ~ 237 Вт/(м · к) при 25 ° C., но коммерческие сплавы обычно варьируются от 80 к 200 ж/(м · к) в зависимости от состава и обработки.

Улучшение теплопроводности алюминиевых сплавов требует целенаправленного подхода, основанного на четырех основных факторах влияния.: Сплав состав, термическая обработка, практика плавки, и формирующие процессы.

В этой статье систематически анализируются механизмы, лежащие в основе каждого фактора, и предлагаются научно обоснованные стратегии оптимизации тепловых характеристик., с упором на промышленную применимость и техническую осуществимость.

1. Оптимизация состава сплава: Минимизация ухудшения теплопроводности

Легирующие элементы являются основными определяющими факторами алюминий теплопроводность сплавов, поскольку они нарушают транспорт электронов и фононов — два основных механизма теплопередачи в металлах..

Влияние каждого элемента зависит от его растворимости., химическая связь, и образование вторичных фаз.

Для повышения теплопроводности, оптимизация состава должна ставить во главу угла снижение вредных элементов и балансировку функциональных свойств. (НАПРИМЕР., сила, коррозионная стойкость) с эффективностью теплопередачи.

Механизмы влияния легирующих элементов

В теплопроводности алюминия преобладает подвижность электронов.: дефекты решетки, растворенные атомы, и вторичные фазы рассеивают электроны, увеличение термического сопротивления.

Ключевые наблюдения металлургических исследований:

• Очень вредные элементы: Хром (Герметичный), литий (Ли), и марганец (Мнжен) образуют стабильные интерметаллиды (НАПРИМЕР., Ал₆Mn, AlCr₂) и вызвать серьезное искажение решетки.
  Даже 0.5 % масс. Cr снижает теплопроводность чистого алюминия на 40–50 %., пока 1 вес.% Li снижает ее на ~35%. (Данные ASM International).
• Умеренно вредные элементы: Кремний (И), магний (Мг), и медь (Cu) являются обычными легирующими элементами, которые уравновешивают прочность и технологичность..
  Их влияние зависит от концентрации: 5 мас.% Si снижает теплопроводность до ~160 Вт/(м · к), пока 2 мас.% Cu снижает его до ~200 Вт/(м · к) (по сравнению с чистым Алом 237 ж/(м · к)).
• Незначительные элементы воздействия: Сурьма (Сб), кадмий (Диск), олово (С), и висмут (Биографический) имеют низкую растворимость в алюминии (<0.1 WT.%) и не образуют грубых вторичных фаз.
  Добавление до 0.3 вес.% этих элементов не оказывает измеримого влияния на теплопроводность., делая их пригодными для изменения других свойств (НАПРИМЕР., механизм) без ущерба для теплопередачи.

Стратегии оптимизации состава

• Минимизируйте вредные элементы: Строго контролировать Cr, Ли, и содержание Mn в <0.1 мас.% для сплавов с высокой теплопроводностью. Например, замена 1 WT.%
  Мн с 0.5 мас.% Mg в сплаве серии 6ххх может повысить теплопроводность от 150 к 180 ж/(м · к) сохраняя при этом сопоставимую силу.
• Оптимизация функционального легирования: Для серии 5xxx (Аль-Мг) сплавы, ограничьте содержание Mg до 2–3 мас.% для достижения баланса теплопроводности. (~180–200 Вт/(м · к)) и коррозионная стойкость.
  Для серии 6xxx (Al-Mg-Si) сплавы, используйте Си:Коэффициент магния 1.5:1 (НАПРИМЕР., 0.6 мас.% Si + 0.4 мас.% Mg) с образованием мелких осадков Mg₂Si, которые оказывают минимальное влияние на транспорт электронов.
• Используйте трассировочное легирование: Добавьте 0,1–0,2 мас.% Sb или Sn для улучшения литейных качеств и уменьшения образования горячих трещин без ухудшения теплопроводности..
  Это особенно полезно для алюминиевых сплавов высокой чистоты. (99.9%+ Ал) используется в терморегулировании.

Тематическое исследование: Сплав серии 6xxx с высокой проводимостью

Модифицированный 6063 сплав с пониженным содержанием железа (0.1 WT.%) и Мн (0.05 WT.%) и оптимизирован Си (0.5 WT.%)/Мг (0.3 WT.%) достигнута теплопроводность 210 ж/(м · к)—20% выше стандартного 6063 (175 ж/(м · к))- при сохранении предела текучести 140 МПА (подходит для экструзионных применений, таких как радиаторы).

2. Пошив термообработки: Уменьшение искажений решетки и оптимизация микроструктуры

Термическая обработка изменяет микроструктуру алюминиевого сплава. (НАПРИМЕР., состояние твердого раствора, распределение осадка, целостность решетки), напрямую влияет на рассеяние электронов и теплопроводность.

Три основных процесса термообработки — отжиг, гашение, и старение — оказывают выраженное влияние на тепловые характеристики.

Механизмы влияния термообработки

• Гашение: Быстрое охлаждение (100–1000 °С/с) от температуры раствора (500–550 ° C.) образует пересыщенный твердый раствор, вызывая серьезное искажение решетки и повышенное рассеяние электронов.
  Это снижает теплопроводность на 10–15 % по сравнению с литым состоянием..
  Например, закаленный 6061-Т6 имеет теплопроводность ~167 Вт/(м · к), против. 180 ж/(м · к) для отожженного сплава.
• Отжиг: Нагрев до 300–450 °С и выдержка в течение 1–4 часов устраняет искажение решетки., способствует осаждению атомов растворенного вещества в мелкие вторичные фазы, и уменьшает рассеяние электронов.
  Полный отжиг (420 ° C для 2 часы) может восстановить теплопроводность на 8–12% в закаленных сплавах.
• Старение: Естественное или искусственное старение (150–200 °C в течение 4–8 часов) образует связные осадки (НАПРИМЕР., Mg₂Si в сплавах 6ххх), которые оказывают меньшее влияние на теплопроводность, чем искажение решетки.
  Искусственное старение 6061-T651 (старение после закалки) приводит к теплопроводности ~ 170 Вт/(м · к)— немного выше, чем Т6, из-за снижения деформации решетки.

Стратегии оптимизации термообработки

• Отдайте приоритет отжигу для обеспечения высокой проводимости: Для применений, где тепловые характеристики имеют решающее значение (НАПРИМЕР., Электронные корпуса), используйте полный отжиг для максимизации теплопроводности.
  Например, отжиг 5052-H32 (холодно) в 350 ° C для 3 часов увеличивает теплопроводность от 170 к 190 ж/(м · к) путем устранения дефектов решетки, вызванных холодной обработкой.
• Контролируемая закалка и старение: Для сплавов, требующих как прочности, так и теплопроводности. (НАПРИМЕР., Автомобильные компоненты), использовать двухэтапный процесс старения: предварительное старение в 100 ° C для 1 час с последующим основным выдерживанием при 180 ° C для 4 часы.
  Это прекрасно формирует, равномерно распределенные осадки с минимальным искажением решетки, баланс предела текучести (180–200 МПа) и теплопроводность (160–175 Вт/(м · к)) из сплавов серии 6ххх.
• Избегайте чрезмерного закаливания: Используйте умеренную скорость охлаждения. (50–100 °С/с) для компонентов с толстым сечением, чтобы уменьшить искажение решетки, обеспечивая при этом достаточное удержание растворенных веществ при старении.
  Такой подход поддерживает теплопроводность в пределах 5% отожженного состояния при достижении заданной прочности.

Пример: Улучшение теплопроводности в 7075 Сплав

Стандарт 7075-T6 имеет теплопроводность ~130 Вт/(м · к) из-за высокого содержания Cu (2.1–2,9 мас.%) и цинк (5.1–6,1 мас.%) содержание.

Модифицированная термическая обработка (Решение отжиг в 475 ° C для 1 час, Воздушное охлаждение, и искусственное старение 120 ° C для 8 часы) повышенная теплопроводность, 145 ж/(м · к) за счет уменьшения искажений решетки и образования более мелких осадков Al₂CuMg.

3. Оптимизация методов плавки: Снижение газов, Включения, и дефекты

Условия плавления, включая методы очистки, контроль температуры, и удаление примесей — напрямую влияют на чистоту алюминиевого сплава. (содержание газа, неметаллические включения) и микроструктурная целостность.

Газы (НАПРИМЕР., H₂.) и включения (НАПРИМЕР., Al₂o₃, MgO) действуют как тепловые барьеры, снижение эффективности теплопередачи за счет рассеяния фононов и нарушения потока электронов.

Механизмы влияния плавления

• Содержание газа: Растворенный водород (H₂.) образует пористость при затвердевании, создание пустот, снижающих теплопроводность.
  Содержание водорода 0.2 мл/100 г Al может снизить теплопроводность на 5–8 %. (Данные Американского литейного общества).
• Неметаллические включения: Оксиды (Al₂o₃), карбиды, а силикаты действуют как точечные дефекты, рассеяние электронов и фононов.
  Включения размером более 5 мкм особенно вредны — снижая теплопроводность на 10–15 % в сплавах с >0.5 об.% содержания включений.
• Температура плавления: Чрезмерно высокие температуры (>780 ° C.) увеличить образование оксидов и растворимость водорода, в то время как температура <680 °C вызывает неполное плавление и сегрегацию.
  Оба сценария ухудшают теплопроводность..

Стратегии оптимизации плавления

• Контролируемая температура плавления: Поддерживайте температуру плавления 700–750 °C, чтобы свести к минимуму поглощение газа и образование оксидов..
  Этот диапазон уравновешивает текучесть (критично для кастинга) и чистота для большинства деформируемых и литых алюминиевых сплавов..
• Эффективная переработка: Используйте комбинацию NaCl-KCl. (1:1 соотношение) в качестве прикрывающего агента (2–3 мас.% расплава) для предотвращения окисления и гексахлорэтана (C₂Cl₆) в качестве нефтеперерабатывающего агента (0.1–0,2 мас.%) для удаления водорода и неметаллических включений.
  Это снижает содержание водорода до <0.1 мл/100 г Al и содержание включений до <0.2 об.%.
• Депарафинизирующие и дегазирующие добавки: Включить 0,1–0,3 мас.% фторида кальция. (КаФ₂), активированный уголь, или хлорид натрия (Нахль) для уменьшения пористости и оксидных включений.
  Эти добавки способствуют флотации включений и высвобождают захваченные газы., улучшение теплопроводности на 8–10%.
• Вакуумная плавка для высокой чистоты: Для применений со сверхвысокой проводимостью (НАПРИМЕР., управление температурным режимом в аэрокосмической отрасли), использовать вакуумную плавку (10⁻³–10⁻⁴ Па) снизить содержание водорода до <0.05 мл/100 г Al и устраняет атмосферные загрязнения.
  Вакуумная плавка 1050 алюминий достигает теплопроводности 230 ж/(м · к)—97% теоретической стоимости чистого алюминия.

Промышленная валидация

Литейный завод, производящий 356 из алюминиевого сплава для автомобильных головок цилиндров реализованы оптимизированные методы плавки (720 °С температура, Покрывающий агент NaCl-KCl, и переработка C₂Cl₆).

Полученный сплав имел содержание водорода 0.08 мл/100 г Al и содержание включений 0.15 об.%, что приводит к увеличению теплопроводности от 150 к 168 ж/(м · к)— на 12% выше, чем в предыдущем процессе.

4. Улучшение процессов формовки: Улучшение микроструктуры и уменьшение дефектов

Процессы формирования (НАПРИМЕР., экструзия, прокатывание, ковкость) изменить микроструктуру алюминиевого сплава за счет уменьшения дефектов литья (НАПРИМЕР., пористость, сегрегация, грубое зерно) и улучшение единообразия.

Ковка и экструзия, в частности, эффективны для повышения теплопроводности за счет уменьшения размера зерен и устранения микроструктурных неоднородностей..

Механизмы формирования влияния

• Экструзия: Высокая пластическая деформация (коэффициент экструзии 10:1 к 50:1) разрушает кластерные включения, уплотняет пористость, и способствует перекристаллизации крупных литых зерен в мелкие, единообразные зерна (10–50 мкм).
  Это уменьшает рассеяние электронов и улучшает транспорт фононов., увеличение теплопроводности на 10–15 % по сравнению с литой формой.
• Прокатка/ковка: Похоже на: экструзия, эти процессы уменьшают сегрегацию и измельчают зерна..
  Например, Холодный катание 1100 алюминий (99.0% Ал) с 70% Коэффициент уменьшения уменьшает размер зерна от 100 мкм (Ассоциация) к 20 мкм, увеличение теплопроводности от 220 к 230 ж/(м · к).
• Уменьшение дефекта: Процессы формовки устраняют дефекты литья (НАПРИМЕР., пористость усадки, дендритная сегрегация) которые действуют как тепловые барьеры.
  Уплотненная пористость и разбитые включения снижают термическое сопротивление., обеспечение более эффективной теплопередачи.

Формирование стратегии оптимизации процессов

• Экструзия высокой деформации: Используйте коэффициент экструзии ≥20.:1 для литых алюминиевых сплавов для достижения полной рекристаллизации и однородной зернистой структуры.
  Например, вытягивание 6063 сплав с 30:1 коэффициент увеличения теплопроводности от 175 (Ассоциация) к 205 ж/(м · к) за счет уменьшения размера зерна от 80 к 15 мкм.
• Контролируемая температура экструзии: Экструдируйте при 400–450 °C, чтобы сбалансировать рекристаллизацию и рост зерен..
  Более высокие температуры (>480 ° C.) вызвать укрупнение зерна, в то время как более низкие температуры (<380 ° C.) повышают устойчивость к деформации и могут сохранять дефекты решетки.
• Постформовочный отжиг: Сочетание экструзии/прокатки с низкотемпературным отжигом. (300–350 °С для 1 час) для снятия остаточного напряжения и дальнейшего измельчения зерна.
  Этот шаг может увеличить теплопроводность еще на 5–8% в сильно деформированных сплавах..

Тематическое исследование: Экструдированный 5052 Сплав для теплообменников

В исполнении 5052 сплав имел теплопроводность 175 ж/(м · к) с 2% пористость и крупные зерна (70 мкм).

После экструзии (соотношение 25:1, 420 ° C.) и отжиг (320 ° C для 1 час), представленный сплав 0.5% пористость, мелкое зерно (25 мкм), и теплопроводность 198 ж/(м · к)— на 13% выше, чем в исходном состоянии.

5. Поверхностная инженерия: самый эффективный и практичный рычаг для радиаторов

Для радиаторов и внешнего теплового оборудования, коэффициент излучения поверхности часто контролирует общее рассеивание тепла совместно с конвекцией..

Два практических факта, которые стоит использовать:

• Дальний инфракрасный (РПИ) / высокоэмиссионные покрытия: Эти специализированные краски или покрытия на керамической основе созданы для эффективного излучения в тепловом инфракрасном диапазоне. (обычно 3–20 мкм).
  Они повышают коэффициент излучения поверхности до ≈0,9 и, таким образом, резко увеличивают потери тепла на излучение при умеренных и высоких температурах поверхности..
• Черный оксид / черный анодиз / черная конверсионная отделка: прочное черное оксидное покрытие (или черное анодирование алюминия) увеличивает излучательную способность поверхности намного выше, чем у блестящего металла.
  На практике, «черная» отделка рассеивает больше тепла за счет излучения, чем естественная (отражающий) алюминиевые поверхности.

Важное уточнение: черная отделка и покрытие FIR не повышать объемную теплопроводность, но они увеличить эффективную теплоотдачу части за счет улучшения излучения (а иногда и конвективная связь через текстуру поверхности).
Высказывание «черный оксид проводит тепло лучше, чем натуральный цвет» верно только в смысле чистое тепловыделение от поверхности — не то, чтобы k материала увеличивалось.

6. Практическая дорожная карта & приоритетные вмешательства

Используйте поэтапный подход, который в первую очередь нацелен на максимальную прибыль.:

1. Выбор сплава: выбирайте наименее легированный, сплав с самой высокой проводимостью, отвечающий требованиям прочности/коррозии.
2. Практика плавления: осуществить дегазацию, флюсовое покрытие, фильтрация и строгий контроль температуры для минимизации пор и включений.
3. Выбор маршрута кастинга: предпочитают процессы, которые обеспечивают низкую пористость (постоянная форма, сжимать кастинг, инвестиционный кастинг с вакуумом) для теплокритичных компонентов.
4. Уплотнение после литья: используйте HIP для критически важных приложений.
5. Термическая обработка: отжиг или разработка методов старения для осаждения растворенного вещества из раствора, когда это возможно.
6. Формирование: применять экструзию/ковку/прокатку для закрытия остаточной пористости и гомогенизации микроструктуры.
7. Поверхность и методы соединения: избегать зон сварки и тепловых оттенков на основных путях нагрева; если требуется сварка, планируйте локальное лечение для восстановления проводимости, где это возможно..

7. Заключительная рекомендация

Улучшение теплопроводности алюминиевых сплавов — междисциплинарная задача, объединяющая разработку сплавов., металлургия расплава, термообработка и формовка.

Начните с выбор материала— только потом оптимизировать контроль процесса (дегазация, Фильтрация, метод кастинга), с последующим термообработка и механическая обработка для закрытия дефектов и настройки микроструктуры.

Там, где проводимость имеет решающее значение, количественно определить цели, требуют электрических/тепловых испытаний, и принять необходимые компромиссы между механической прочностью, стоимость и производительность.

Часто задаваемые вопросы

Увеличивает ли черный оксид объемную теплопроводность алюминия??

Нет — это увеличивает излучательную способность поверхности и, следовательно, радиационное рассеивание тепла.. Объем k сплава не изменяется из-за тонкой поверхности..

Всегда ли покрытие лучше полировки??

Полировка уменьшает конвективное сопротивление и снижает коэффициент излучения. (хуже из-за радиации). Для общей производительности радиатора, черное покрытие с высоким ε обычно превосходит полированный металл, за исключением случаев, когда излучение незначительно и преобладает конвекция..

Когда покрытие FIR наиболее эффективно?

Там, где температура поверхности от умеренной до высокой, где конвекция ограничена (низкий поток воздуха), в вакууме или среде низкого давления, или для снижения установившейся температуры компонента даже при наличии воздушного потока.

Ссылки

1. ASM International. (2020). Том справочника ASM 2: Свойства и выбор: Цветные сплавы и материалы специального назначения. ASM International.
2. Американское литейное общество. (2018). Справочник по литью алюминия. АФС Пресс.
3. Чжан, Ю., и др.. (2021). Влияние легирующих элементов и термической обработки на теплопроводность алюминиевых сплавов серии 6ххх.. Журнал технологий обработки материалов, 294, 117189.
4. Ли, Дж., и др.. (2022). Влияние параметров плавки и экструзии на теплопроводность 5052 алюминиевый сплав. Материаловедение и инженерия A, 845, 143126.
5. Дэвис, Дж. Ведущий. (2019). Алюминий и алюминиевые сплавы: Характеристики, Характеристики, и приложения. ASM International.
6. Ван Хуэй. Разработка и исследование алюминиевых сплавов с высокой теплопроводностью [Дж]. Литейный завод, 2019, 68(10):1104