Како побољшати топлотну проводљивост алуминијумских легура?

Интринзична висока топлотна проводљивост алуминијума је један од његових највреднијих атрибута за апликације за пренос топлоте и управљање топлотом.

Чисти алуминијум показује топлотну проводљивост од ~237 В/(м · к) на 25 ° Ц, али комерцијалне легуре се обично крећу од 80 до 200 В/(м · к) зависно од састава и обраде.

Побољшање топлотне проводљивости алуминијумских легура захтева циљани приступ заснован на четири кључна фактора утицаја: састав легура, топлотни третман, праксе топљења, и процеси формирања.

Овај чланак систематски анализира механизме иза сваког фактора и предлаже стратегије засноване на доказима за оптимизацију топлотних перформанси, са фокусом на индустријску применљивост и техничку изводљивост.

1. Оптимизација састава легуре: Минимизирање деградације топлотне проводљивости

Легирајући елементи су примарне детерминанте алуминијум топлотна проводљивост легура, јер ометају транспорт електрона и фонона — два главна механизма преноса топлоте у металима.

Утицај сваког елемента зависи од његове растворљивости, хемијско везивање, и формирање секундарних фаза.

За побољшање топлотне проводљивости, оптимизација састава треба да даје приоритет смањењу штетних елемената и балансирању функционалних својстава (Нпр., снага, отпорност на корозију) са ефикасношћу преноса топлоте.

Механизми утицаја елемената легуре

У топлотној проводљивости у алуминијуму доминира покретљивост електрона: дефекти решетке, атоми раствора, а секундарне фазе распршују електроне, повећање топлотног отпора.

Кључна запажања из металуршких студија:

• Веома штетни елементи: Хром (ЦР), литијум (Налик на), и манган (Мн) формирају стабилна интерметална једињења (Нпр., Ал₆Мн, АлЦр₂) и изазивају озбиљно изобличење решетке.
  Чак 0.5 теж.% Цр смањује топлотну проводљивост чистог алуминијума за 40-50%, док 1 мас.% Ли га смањује за ~35% (АСМ Интернатионал подаци).
• Умерено штетни елементи: Силицијум (И), магнезијум (Мг), и бакар (Цу) су уобичајени легирајући елементи који балансирају снагу и обрадивост.
  Њихов утицај зависи од концентрације: 5 теж.% Си смањује топлотну проводљивост на ~160 В/(м · к), док 2 мас.% Цу га снижава на ~200 В/(м · к) (у поређењу са чистим Аловим 237 В/(м · к)).
• Занемарљиви елементи утицаја: Антимон (Сб), кадмијум (ЦД), лименка (Сн), и бизмута (Би) имају ниску растворљивост у алуминијуму (<0.1 вт.%) и не формирају грубе секундарне фазе.
  Додавање до 0.3 теж.% ових елемената нема мерљив утицај на топлотну проводљивост, чинећи их погодним за модификацију других својстава (Нпр., обрада) без жртвовања преноса топлоте.

Стратегије оптимизације композиције

• Минимизирајте штетне елементе: Строго контролисати Кр, Налик на, а Мн садржај да <0.1 теж.% за легуре високе топлотне проводљивости. На пример, замена 1 вт.%
  Мн са 0.5 теж.% Мг у легури серије 6ккк може повећати топлотну проводљивост од 150 до 180 В/(м · к) уз задржавање упоредиве снаге.
• Оптимизујте функционално легирање: За серију 5ккк (Ал-мг) легуре, ограничити Мг на 2–3 теж.% да би се постигао баланс топлотне проводљивости (~180–200 В/(м · к)) и отпорност на корозију.
  За серију 6ккк (Ал-мг-си) легуре, користите Си:Мг однос 1.5:1 (Нпр., 0.6 мас.% Си + 0.4 теж.% Мг) да би се формирали фини Мг₂Си преципитати, који имају минималан утицај на транспорт електрона.
• Користите легирање трагова: Додајте 0,1–0,2 теж.% Сб или Сн да побољшате способност ливења и смањите вруће пуцање без смањења топлотне проводљивости.
  Ово је посебно корисно за легуре алуминијума високе чистоће (99.9%+ Алтер) користи се у термичком менаџменту.

Студија случаја: Легура високе проводљивости серије 6ккк

А модификовано 6063 легура са редукованим Фе (0.1 вт.%) и Мн (0.05 вт.%) и оптимизовани Си (0.5 вт.%)/Мг (0.3 вт.%) постигао топлотну проводљивост од 210 В/(м · к)—20% више од стандарда 6063 (175 В/(м · к))—уз задржавање границе течења од 140 МПА (погодан за екструзионе апликације као што су хладњаци).

2. Кројење топлотне обраде: Смањење дисторзије решетке и оптимизација микроструктуре

Топлотна обрада мења микроструктуру легуре алуминијума (Нпр., стање чврстог раствора, расподела талога, интегритет решетке), директно утичући на расејање електрона и топлотну проводљивост.

Три примарна процеса топлотне обраде — жарење, гашење, и старење—испољавају различите ефекте на термичке перформансе.

Механизми утицаја термичке обраде

• Гашење: Брзо хлађење (100–1000 °Ц/с) од температуре раствора (500-550 ° Ц) формира презасићени чврсти раствор, узрокујући озбиљно изобличење решетке и повећано расејање електрона.
  Ово смањује топлотну проводљивост за 10–15% у поређењу са ливеним стањем.
  На пример, угашени 6061-Т6 има топлотну проводљивост од ~167 В/(м · к), вс. 180 В/(м · к) за као жарену легуру.
• Враголовање: Загревање на 300–450 °Ц и држање 1–4 сата ублажава изобличење решетке, подстиче таложење растворених атома у фине секундарне фазе, и смањује расејање електрона.
  Потпуно жарење (420 ° Ц За 2 сати) може повратити топлотну проводљивост за 8–12% у каљеним легурама.
• Старење: Природно или вештачко старење (150–200 °Ц 4–8 сати) формира кохерентне преципитате (Нпр., Мг₂Си у легурама 6ккк), који имају мањи утицај на топлотну проводљивост од изобличења решетке.
  Вештачко старење 6061-Т651 (старење након гашења) резултира топлотном проводљивошћу од ~170 В/(м · к)—нешто већи од Т6 због смањеног напрезања решетке.

Стратегије оптимизације топлотног третмана

• Дајте приоритет жарењу за високу проводљивост: За апликације где су топлотне перформансе критичне (Нпр., Електронски кућишти), користите потпуно жарење да бисте максимизирали топлотну проводљивост.
  На пример, жарење 5052-Х32 (хладан) у 350 ° Ц За 3 сати повећава топлотну проводљивост од 170 до 190 В/(м · к) отклањањем дефекта решетке изазваног хладним радом.
• Контролисано гашење и старење: За легуре које захтевају и чврстоћу и топлотну проводљивост (Нпр., Аутомобилске компоненте), користите процес старења у два корака: пре-старење на 100 ° Ц За 1 сат након чега следи главно старење на 180 ° Ц За 4 сати.
  Ово се добро формира, равномерно распоређени преципитати са минималним изобличењем решетке, балансирање границе попуштања (180-200 МПА) и топлотна проводљивост (160–175 В/(м · к)) у легурама серије 6ккк.
• Избегавајте прекомерно гашење: Користите умерене стопе хлађења (50–100 °Ц/с) за компоненте дебелог пресека како би се смањила дисторзија решетке уз обезбеђивање довољног задржавања раствора за старење.
  Овај приступ одржава топлотну проводљивост унутар 5% жареног стања уз постизање циљне чврстоће.

Пример: Побољшање топлотне проводљивости у 7075 Легура

Стандард 7075-Т6 има топлотну проводљивост од ~130 В/(м · к) због високог Цу (2.1–2,9 мас.%) и Зн (5.1–6,1 мас.%) садржај.

Модификована топлотна обрада (решење жарење на 475 ° Ц За 1 час, хлађење ваздуха, и вештачко старење на 120 ° Ц За 8 сати) повећана топлотна проводљивост до 145 В/(м · к) смањењем дисторзије решетке и формирањем финијих талога Ал₂ЦуМг.

3. Оптимизација пракси топљења: Редуцинг Гасес, Инклузије, и Дефекти

Услови топљења—укључујући методе рафинирања, контрола температуре, и уклањање нечистоћа - директно утичу на чистоћу легуре алуминијума (садржај гаса, неметалне инклузије) и микроструктурни интегритет.

Гасови (Нпр., Х₂) и инклузије (Нпр., АЛ³О₃, МгО) делују као топлотне баријере, смањење ефикасности преноса топлоте расејањем фонона и ометањем протока електрона.

Механизми утицаја топљења

• Гас Цонтент: Растворен водоник (Х₂) формира порозност током очвршћавања, стварање празнина које смањују топлотну проводљивост.
  Садржај водоника од 0.2 мЛ/100г Ал може смањити топлотну проводљивост за 5-8% (Подаци Америчког ливничког друштва).
• Неметалне инклузије: Оксиди (АЛ³О₃), карбиди, а силикати делују као тачкасти дефекти, расејање електрона и фонона.
  Укључци већи од 5 μм су посебно штетне - смањујући топлотну проводљивост за 10-15% у легурама са >0.5 вол.% садржаја инклузије.
• Температура топљења: Превише високе температуре (>780 ° Ц) повећавају формирање оксида и растворљивост водоника, док температуре <680 °Ц изазивају непотпуно топљење и сегрегацију.
  Оба сценарија смањују топлотну проводљивост.

Стратегије оптимизације топљења

• Контролисана температура топљења: Одржавајте температуру топљења од 700-750 °Ц да бисте минимизирали апсорпцију гаса и формирање оксида.
  Овај опсег балансира флуидност (критично за ливење) и чистоћа за већину кованих и ливених алуминијумских легура.
• Ефективна рафинација: Користите комбинацију НаЦл-КЦл (1:1 омјер) као средство за покривање (2–3 теж.% растопа) за спречавање оксидације и хексахлоретан (Ц₂Цл₆) као агенс за рафинацију (0.1–0,2 мас.%) за уклањање водоника и неметалних инклузија.
  Ово смањује садржај водоника на <0.1 мЛ/100г Ал и садржај инклузије до <0.2 вол.%.
• Адитиви за депаравање и дегазацију: Укључити 0,1–0,3 теж.% калцијум флуорида (ЦаФ₂), активни угаљ, или натријум хлорид (Нацл) за смањење порозности и оксидних инклузија.
  Ови адитиви подстичу флотацију инклузија и ослобађају заробљене гасове, побољшање топлотне проводљивости за 8-10%.
• Вакуумско топљење за високу чистоћу: За апликације са ултра-високом проводљивошћу (Нпр., ваздушно-космичко управљање топлотом), користите вакуумско топљење (10⁻³–10⁻⁴ Па) да се смањи садржај водоника на <0.05 мЛ/100г Ал и елиминисати атмосферске загађиваче.
  Вакумски растопљени 1050 алуминијум постиже топлотну проводљивост од 230 В/(м · к)—97% теоријске вредности чистог алуминијума.

Индустријска валидација

Ливница која производи 356 легура алуминијума за аутомобилске главе цилиндара имплементирала је оптимизовану праксу топљења (720 °Ц температура, НаЦл-КЦл средство за покривање, и пречишћавање Ц2Цл₆).

Добијена легура је имала садржај водоника од 0.08 мЛ/100г Ал и садржај инклузије 0.15 вол.%, што доводи до повећања топлотне проводљивости од 150 до 168 В/(м · к)—12% више од претходног процеса.

4. Унапређење процеса формирања: Рафинирање микроструктуре и смањење дефеката

Процеси формирања (Нпр., екструзија, котрљање, ковање) модификовати микроструктуру легуре алуминијума смањујући дефекте ливења (Нпр., порозност, сегрегација, крупна зрна) и побољшање униформности.

Ковање и екструзија, нарочито, ефикасни су у повећању топлотне проводљивости пречишћавањем величине зрна и елиминацијом микроструктурних нехомогености.

Механизми формирања утицаја

• Екструзија: Висока пластична деформација (однос екструзије 10:1 до 50:1) разбија груписане инклузије, збија порозност, и подстиче рекристализацију крупно ливених зрна у фина, једнолична зрна (10-50 μм).
  Ово смањује расејање електрона и побољшава транспорт фонона, повећање топлотне проводљивости за 10–15% у поређењу са ливеним стањем.
• Ваљање/Ковање: Слично екструзији, ови процеси смањују сегрегацију и рафинишу зрна.
  На пример, хладно котрљање 1100 алуминијум (99.0% Алтер) са а 70% однос редукције оплемењује величину зрна из 100 μм (улога) до 20 μм, повећање топлотне проводљивости од 220 до 230 В/(м · к).
• Смањење дефекта: Процеси формирања елиминишу дефекте ливења (Нпр., Порозност скупљања, дендритска сегрегација) које делују као топлотне баријере.
  Збијена порозност и поломљени инклузије смањују термичку отпорност, омогућавајући ефикаснији пренос топлоте.

Формирање стратегија оптимизације процеса

• Екструзија високе деформације: Користите однос екструзије од ≥20:1 за ливене легуре алуминијума да би се постигла пуна рекристализација и уједначена структура зрна.
  На пример, екструдирање 6063 легура са а 30:1 однос повећана топлотна проводљивост од 175 (улога) до 205 В/(м · к) смањењем величине зрна из 80 до 15 μм.
• Контролисана температура екструзије: Екструдирајте на 400–450 °Ц да бисте уравнотежили рекристализацију и раст зрна.
  Висе температуре (>480 ° Ц) изазивају згрушавање зрна, док ниже температуре (<380 ° Ц) повећавају отпорност на деформације и могу задржати дефекте решетке.
• Жарење након формирања: Комбинујте екструзију/ваљање са жарењем на ниској температури (300–350 °Ц за 1 час) за ублажавање заосталог стреса и даље рафинисање зрна.
  Овај корак може повећати топлотну проводљивост за додатних 5–8% у високо деформисаним легурама.

Студија случаја: Екструдиран 5052 Легура за измењиваче топлоте

Ас-цаст 5052 легура је имала топлотну проводљивост од 175 В/(м · к) са 2% порозност и крупна зрна (70 μм).

После истињања (омјер 25:1, 420 ° Ц) и жарење (320 ° Ц За 1 час), легура изложена 0.5% порозност, финих зрна (25 μм), и топлотну проводљивост од 198 В/(м · к)—13% више од стања као што је ливено.

5. Површински инжењеринг: најефикаснија практична полуга за хладњаке

За хладњаке и спољни термички хардвер, површинска емисивност често контролише укупну дисипацију топлоте у складу са конвекцијом.

Две практичне чињенице које треба користити:

• Далеко инфрацрвено (ФИР) / превлаке високе емисије: ове специјализоване боје или премази на бази керамике су формулисани да ефикасно емитују у термалном инфрацрвеном опсегу (обично 3-20 µм).
  Они подижу површинску емисивност на ≈0,9 и тако драматично повећавају губитак топлоте радијације при умереним до високим температурама површине.
• Црни оксид / црни анодизујући / црни завршетак конверзије: издржљива завршна обрада налик црном оксиду (или црно елоксирање на алуминијуму) повећава површинску емисивност далеко изнад светлих метала.
  У пракси, „црне“ завршне обраде расипају више топлоте зрачењем него природне (рефлектиран) алуминијумске површине.

Важно појашњење: црне завршне обраде и ФИР премазе не повећавају обимну топлотну проводљивост, али они повећати ефективну дисипацију топлоте једног дела побољшањем зрачења (а понекад и конвективно спајање преко површинске текстуре).
Рећи „црни оксид боље проводи топлоту од природне боје“ је тачно само у смислу нето расипање топлоте са површине - не да се к материјала повећава.

6. Практична мапа пута & приоритетне интервенције

Користите постепени приступ који прво циља на највеће добитке:

1. Избор легуре: изаберите најмање легирану, легура највеће проводљивости која задовољава потребе за чврстоћом/корозијом.
2. Пракса топљења: спровести дегазацију, поклопац флукса, филтрација и строга контрола температуре како би се минимизирале поре и инклузије.
3. Избор руте ливења: преферирају процесе који дају ниску порозност (трајни-калуп, стисак ливења, Инвестициони ливење са вакуумом) за топлотно критичне компоненте.
4. Згушњавање након ливења: користите ХИП за критичне апликације.
5. Термичка обрада: жарење или дизајнирање третмана старења како би се растворена супстанца исталожила из раствора када је то могуће.
6. Формирање: применити екструзију/ковање/ваљање да затворите заосталу порозност и хомогенизујете микроструктуру.
7. Површинске и спојне праксе: избегавајте зоне завара и топлотне нијансе на примарним топлотним путевима; ако је потребно заваривање, планирати локализоване третмане за обнављање проводљивости где је то изводљиво.

7. Закључна препорука

Побољшање топлотне проводљивости легуре алуминијума је мултидисциплинарни задатак који комбинује дизајн легуре, металургија топљења, термичка обрада и формирање.

Почните са Избор материјала— тек онда оптимизујте контроле процеса (дегастирање, филтрација, метода ливења), праћен термичка обрада и механичка обрада за затварање дефеката и подешавање микроструктуре.

Где је проводљивост критична за мисију, квантификовати циљеве, захтевају електрично/термичко испитивање, и прихватају неопходне компромисе између механичке чврстоће, Трошкови и производња.

Често постављана питања

Да ли црни оксид повећава укупну топлотну проводљивост алуминијума?

Не — повећава површинску емисивност, а самим тим и зрачење топлоте. Маса к легуре је непромењена због танке површине.

Да ли је премаз увек бољи од полирања?

Полирање смањује конвективни отпор и смањује емисивност (горе за зрачење). За укупне перформансе хладњака, црни премаз високог ε обично надмашује полирани метал осим тамо где је зрачење занемарљиво и конвекција доминира.

Када је ФИР премаз најефикаснији?

Где су површинске температуре умерене до високе, где је конвекција ограничена (низак проток ваздуха), у вакууму или окружењима ниског притиска, или за смањење стабилне температуре компоненте чак и под протоком ваздуха.

Референце

1. АСМ Интернатионал. (2020). АСМ Хандбоок Волуме 2: Својства и избор: Легуре обојених метала и материјали специјалне намене. АСМ Интернатионал.
2. Америчко ливничарско друштво. (2018). Приручник за ливење алуминијума. АФС Пресс.
3. Зханг, И., ет ал. (2021). Ефекти легирајућих елемената и термичке обраде на топлотну проводљивост алуминијумских легура серије 6ккк. Часопис за технологију обраде материјала, 294, 117189.
4. Налик на, Ј., ет ал. (2022). Утицај параметара топљења и екструзије на топлотну проводљивост 5052 алуминијумска легура. Наука о материјалима и инжењерство А, 845, 143126.
5. Давис, Ј. Р. (2019). Алуминијум и легуре алуминијума: Карактеристике, Својства, и апликације. АСМ Интернатионал.
6. Ванг Хуи. Развој и напредак истраживања легура алуминијума високе топлотне проводљивости [Ј]. Ливница, 2019, 68(10):1104