Alüminyum Alaşımlarının Isıl İletkenliği Nasıl Geliştirilir??

Alüminyumun kendine özgü yüksek termal iletkenliği, ısı transferi ve termal yönetim uygulamaları için en değerli özelliklerinden biridir..

Saf alüminyum ~237 W/'lik bir termal iletkenlik sergiler(M · K) 25 ° C'de, ancak ticari alaşımlar tipik olarak 80 ile 200 W/(M · K) bileşime ve işleme bağlı olarak.

Alüminyum alaşımlarının termal iletkenliğinin iyileştirilmesi, dört temel etkileyici faktöre dayanan hedefli bir yaklaşım gerektirir.: alaşım kompozisyonu, ısıl işlem, eritme uygulamaları, ve şekillendirme süreçleri.

Bu makale, her faktörün arkasındaki mekanizmaları sistematik olarak analiz etmekte ve termal performansı optimize etmek için kanıta dayalı stratejiler önermektedir., endüstriyel uygulanabilirlik ve teknik fizibiliteye odaklanarak.

1. Alaşım Bileşimini Optimize Etme: Isıl İletkenlik Bozulmasını En Aza İndirme

Alaşım elementleri birincil belirleyicilerdir. alüminyum alaşımların termal iletkenliği, metallerde ısı transferinin iki ana mekanizması olan elektron ve fonon taşınımını bozduklarından.

Her elementin etkisi çözünürlüğüne bağlıdır, kimyasal bağlanma, ve ikincil aşamaların oluşumu.

Isı iletkenliğini arttırmak için, bileşim optimizasyonu, zararlı unsurların azaltılmasına ve işlevsel özelliklerin dengelenmesine öncelik vermelidir (Örn., kuvvet, korozyon direnci) ısı transfer verimliliği ile.

Alaşım Elementi Etkisinin Mekanizmaları

Alüminyumdaki termal iletkenliğe elektron hareketliliği hakimdir: kafes kusurları, çözünen atomlar, ve ikincil fazlar elektronları saçar, artan termal direnç.

Metalurji çalışmalarından önemli gözlemler:

• Son Derece Zararlı Unsurlar: Krom (CR), lityum (Li), ve manganez (MN) kararlı intermetalik bileşikler oluşturur (Örn., Al₆Mn, AlCr₂) ve ciddi kafes bozulmasına neden olur.
  Eşit 0.5 ağırlıkça %Cr, saf alüminyumun termal iletkenliğini @–50 azaltır, sırasında 1 ağırlıkça %Li bunu ~5 azaltır (ASM Uluslararası verileri).
• Orta Derecede Zararlı Unsurlar: Silikon (Ve), magnezyum (Mg), ve bakır (Cu) mukavemeti ve işlenebilirliği dengeleyen yaygın alaşım elementleridir.
  Etkileri konsantrasyona bağlıdır: 5 ağırlıkça %Si, termal iletkenliği ~160 W/'ye düşürür(M · K), sırasında 2 ağırlıkça %Cu bunu ~200 W/'ye düşürür(M · K) (saf Al ile karşılaştırıldığında 237 W/(M · K)).
• İhmal Edilebilir Etki Elemanları: Antimon (SB), kadmiyum (CD), kalay (Sn), ve bizmut (Bi) alüminyumda düşük çözünürlüğe sahip (<0.1 ağırlıkça%) ve kaba ikincil fazlar oluşturmazlar.
  Şuna kadar ekleniyor: 0.3 Bu elemanların ağırlıkça %'si termal iletkenlik üzerinde ölçülebilir bir etkiye sahip değildir, onları diğer özellikleri değiştirmek için uygun hale getirmek (Örn., işlenebilirlik) ısı transferinden ödün vermeden.

Kompozisyon Optimizasyon Stratejileri

• Zararlı Unsurları En Aza İndirin: Cr'yi kesinlikle kontrol edin, Li, ve Mn içeriği <0.1 yüksek ısı iletkenliğine sahip alaşımlar için ağırlıkça %. Örneğin, değiştirme 1 ağırlıkça%
  Mn ile 0.5 6xxx serisi bir alaşımdaki ağırlıkça %Mg, termal iletkenliği şu şekilde artırabilir: 150 ile 180 W/(M · K) karşılaştırılabilir gücü korurken.
• Fonksiyonel Alaşımlamayı Optimize Edin: 5xxx serisi için (Al-MG) alaşımlar, Isıl iletkenlik dengesini sağlamak için Mg'yi ağırlıkça %2-3 ile sınırlayın (~180–200 W/(M · K)) ve korozyon direnci.
  6xxx serisi için (Al-mg-si) alaşımlar, Si kullan:Mg oranı 1.5:1 (Örn., 0.6 ağırlıkça %Si + 0.4 ağırlıkça % Mg) ince Mg₂Si çökeltileri oluşturmak için, Elektron taşınması üzerinde minimum etkiye sahip olan.
• İz Alaşımını Kullanın: Dökülebilirliği artırmak ve termal iletkenliği bozmadan sıcak çatlamayı azaltmak için ağırlıkça %0,1–0,2 Sb veya Sn ekleyin.
  Bu özellikle yüksek saflıkta alüminyum alaşımları için kullanışlıdır. (99.9%+ Al) termal yönetimde kullanılır.

Vaka çalışması: Yüksek İletkenlik 6xxx Serisi Alaşım

Değiştirilmiş 6063 azaltılmış Fe içeren alaşım (0.1 ağırlıkça%) ve Mn (0.05 ağırlıkça%) ve optimize edilmiş Si (0.5 ağırlıkça%)/Mg (0.3 ağırlıkça%) termal iletkenliğe ulaştı 210 W/(M · K)—Standarttan daha yüksek 6063 (175 W/(M · K))— akma mukavemetini korurken 140 MPa (ısı emiciler gibi ekstrüzyon uygulamaları için uygundur).

2. Terzilik Isıl İşlem: Kafes Bozulmasının Azaltılması ve Mikro Yapının Optimize Edilmesi

Isıl işlem alüminyum alaşımının mikro yapısını değiştirir (Örn., katı çözüm durumu, çökelti dağılımı, kafes bütünlüğü), Elektron saçılımını ve termal iletkenliği doğrudan etkiler.

Üç temel ısıl işlem süreci - tavlama, söndürme, ve yaşlanma — termal performans üzerinde belirgin etkiler yaratır.

Isıl İşlem Etki Mekanizmaları

• Söndürme: Hızlı Soğutma (100–1000 °C/sn) çözelti sıcaklığından (500–550 ° C) aşırı doymuş bir katı çözelti oluşturur, ciddi kafes bozulmasına ve artan elektron saçılmasına neden olur.
  Bu, döküm durumuna kıyasla termal iletkenliği -15 oranında azaltır.
  Örneğin, söndürülmüş 6061-T6'nın termal iletkenliği ~167 W/'dir(M · K), VS. 180 W/(M · K) tavlanmış alaşım için.
• Tavlama: 300–450 °C'ye ısıtmak ve 1–4 saat bekletmek kafes bozulmasını azaltır, çözünen atomların ince ikincil fazlara çökelmesini teşvik eder, ve elektron saçılımını azaltır.
  Tam tavlama (420 ° C için 2 saat) söndürülmüş alaşımlarda ısıl iletkenliği %8-12 oranında eski haline getirebilir.
• Yaşlanma: Doğal veya yapay yaşlanma (150–200 °C, 4–8 saat) tutarlı çökeltiler oluşturur (Örn., 6xxx alaşımlarında Mg₂Si), termal iletkenlik üzerinde kafes distorsiyonundan daha küçük bir etkiye sahip olan.
  6061-T651'in yapay yaşlanması (söndürme sonrası yaşlanma) ~170 W/ değerinde bir termal iletkenlik ile sonuçlanır(M · K)—azaltılmış kafes gerilimi nedeniyle T6'dan biraz daha yüksek.

Isıl İşlem Optimizasyon Stratejileri

• Yüksek İletkenlik için Tavlamaya Öncelik Verin: Termal performansın kritik olduğu uygulamalar için (Örn., elektronik muhafazalar), termal iletkenliği en üst düzeye çıkarmak için tam tavlama kullanın.
  Örneğin, tavlama 5052-H32 (soğuk işlenmiş) -den 350 ° C için 3 saat ısı iletkenliğini artırır 170 ile 190 W/(M · K) soğuk iş kaynaklı kafes kusurlarını gidererek.
• Kontrollü Söndürme ve Yaşlandırma: Hem mukavemet hem de termal iletkenlik gerektiren alaşımlar için (Örn., otomotiv bileşenleri), iki aşamalı bir yaşlanma süreci kullanın: ön yaşlanma 100 ° C için 1 saat ardından ana yaşlanma takip eder 180 ° C için 4 saat.
  Bu iyi bir form oluşturuyor, minimum kafes distorsiyonu ile eşit şekilde dağılmış çökeltiler, akma dayanımının dengelenmesi (180–200 MPa) ve termal iletkenlik (160–175 W/(M · K)) 6xxx serisi alaşımlarda.
• Aşırı Söndürmeden Kaçının: Orta düzeyde soğutma hızları kullanın (50–100 °C/sn) yaşlanma için yeterli çözünen madde tutulmasını sağlarken kafes bozulmasını azaltmak amacıyla kalın kesitli bileşenler için.
  Bu yaklaşım termal iletkenliği korur. 5% Hedef güce ulaşırken tavlanmış durumun.

Örnek: Isıl İletkenlik İyileştirmesi 7075 Alaşım

Standart 7075-T6'nın termal iletkenliği ~130 W/'dir.(M · K) yüksek Cu nedeniyle (2.1–2,9 ağırlıkça %) ve Zn (5.1–6,1 ağırlıkça %) içerik.

Değiştirilmiş bir ısıl işlem (Çözüm tavlama 475 ° C için 1 saat, hava soğutma, ve yapay yaşlanma 120 ° C için 8 saat) artan termal iletkenlik 145 W/(M · K) kafes distorsiyonunu azaltarak ve daha ince Al₂CuMg çökeltileri oluşturarak.

3. Eritme Uygulamalarının Optimize Edilmesi: Gazların Azaltılması, Kapsama, ve Kusurlar

Erime koşulları – rafine etme yöntemleri dahil, sıcaklık kontrolü, ve yabancı maddelerin uzaklaştırılması — alüminyum alaşımının temizliğini doğrudan etkiler (gaz içeriği, metalik olmayan kapanımlar) ve mikroyapısal bütünlük.

Gazlar (Örn., H₂) ve kapanımlar (Örn., Al₂o₃, MgO) termal bariyer görevi görür, fononları saçarak ve elektron akışını bozarak ısı transfer verimliliğini azaltır.

Erime Etkisinin Mekanizmaları

• Gaz İçeriği: Çözünmüş hidrojen (H₂) katılaşma sırasında gözeneklilik oluşturur, termal iletkenliği azaltan boşluklar yaratmak.
  Bir hidrojen içeriği 0.2 mL/100g Al, termal iletkenliği %5-8 oranında azaltabilir (Amerikan Döküm Derneği verileri).
• Metalik Olmayan Kapanımlar: Oksitler (Al₂o₃), karbürler, ve silikatlar nokta kusurları gibi davranır, elektronların ve fononların saçılması.
  Şundan daha büyük olan kapsamlar 5 μm özellikle zararlıdır; alaşımlarda ısıl iletkenliği -15 oranında azaltır. >0.5 hacim% dahil etme içeriği.
• Erime Sıcaklığı: Aşırı yüksek sıcaklıklar (>780 ° C) Oksit oluşumunu ve hidrojen çözünürlüğünü artırın, sıcaklıklar <680 °C, eksik erimeye ve ayrışmaya neden olur.
  Her iki senaryo da termal iletkenliği azaltır.

Eritme Optimizasyon Stratejileri

• Kontrollü Erime Sıcaklığı: Gaz emilimini ve oksit oluşumunu en aza indirmek için erime sıcaklığının 700–750 °C olmasını sağlayın.
  Bu aralık akışkanlığı dengeler (döküm için kritik) Çoğu dövme ve dökme alüminyum alaşımı için temizlik ve temizlik.
• Etkili Rafinasyon: NaCl-KCl kombinasyonunu kullanın (1:1 oran) kaplama maddesi olarak (2Eriyiğin ağırlıkça %-3'ü) Oksidasyonu ve heksakloroetanı önlemek için (C₂Cl₆) rafine edici madde olarak (0.1–0,2 ağırlıkça %) hidrojen ve metalik olmayan kalıntıları gidermek için.
  Bu, hidrojen içeriğini azaltır <0.1 mL/100g Al ve içerme içeriği <0.2 hacim%.
• Mum Alma ve Gaz Giderme Katkıları: Ağırlıkça %0,1-0,3 oranında kalsiyum florür ekleyin (CaF₂), aktif karbon, veya sodyum klorür (Nakl) gözenekliliği ve oksit kalıntılarını azaltmak için.
  Bu katkı maddeleri, kalıntıların yüzdürülmesini teşvik eder ve sıkışan gazları serbest bırakır., Isı iletkenliğini %8-10 oranında iyileştirme.
• Yüksek Saflık için Vakumlu Eritme: Ultra yüksek iletkenlik uygulamaları için (Örn., havacılık termal yönetimi), vakumlu eritme kullanın (10⁻³–10⁻⁴ Pa) hidrojen içeriğini azaltmak için <0.05 mL/100g Al ve atmosferik kirleticileri ortadan kaldırır.
  Vakumla eritilmiş 1050 alüminyum termal iletkenliğe ulaşır 230 W/(M · K)—Saf alüminyumun teorik değerinin �'si.

Endüstriyel Doğrulama

Üreten bir dökümhane 356 otomotiv silindir kafaları için alüminyum alaşımı optimize edilmiş eritme uygulamaları uyguladı (720 °C sıcaklık, NaCl-KCl kaplama maddesi, ve C₂Cl₆ rafinasyonu).

Elde edilen alaşımın hidrojen içeriği şu şekildeydi: 0.08 mL/100g Al ve dahil edilen içerik 0.15 hacim%, termal iletkenliğin artmasına neden olur 150 ile 168 W/(M · K)—Önceki süreçten  daha yüksek.

4. Şekillendirme Süreçlerinin Geliştirilmesi: Mikro Yapının İyileştirilmesi ve Kusurların Azaltılması

Şekillendirme süreçleri (Örn., ekstrüzyon, yuvarlamak, dövme) Döküm kusurlarını azaltarak alüminyum alaşımının mikro yapısını değiştirin (Örn., gözeneklilik, ayrılma, kaba taneler) ve tekdüzeliğin iyileştirilmesi.

Dövme ve ekstrüzyon, özellikle, tane boyutunu incelterek ve mikroyapısal homojensizlikleri ortadan kaldırarak termal iletkenliği arttırmada etkilidir.

Etki Oluşturma Mekanizmaları

• Ekstrüzyon: Yüksek plastik deformasyon (ekstrüzyon oranı 10:1 ile 50:1) kümelenmiş kapanımları parçalar, gözenekliliği sıkıştırır, ve kaba döküm tanelerinin ince tanelere yeniden kristalleşmesini teşvik eder, tek tip tahıllar (10–50 μm).
  Bu elektron saçılımını azaltır ve fonon taşınmasını iyileştirir, döküm durumuna kıyasla termal iletkenliği –15 oranında artırır.
• Haddeleme/Dövme: Ekstrüzyona benzer, bu işlemler ayrışmayı azaltır ve tahılları rafine eder.
  Örneğin, Soğuk Haddeleme 1100 alüminyum (99.0% Al) bir ile 70% indirgeme oranı tane boyutunu iyileştirir 100 μm (asi) ile 20 μm, termal iletkenliğin arttırılması 220 ile 230 W/(M · K).
• Kusur azaltma: Şekillendirme işlemleri döküm kusurlarını ortadan kaldırır (Örn., büzülme gözenekliliği, dendritik ayrışma) termal bariyer görevi gören.
  Sıkıştırılmış gözeneklilik ve kırık kalıntılar termal direnci azaltır, daha verimli ısı transferi sağlanması.

Süreç Optimizasyon Stratejilerinin Oluşturulması

• Yüksek Deformasyonlu Ekstrüzyon: ≥20 ekstrüzyon oranı kullanın:1 Tam yeniden kristalleşme ve düzgün tane yapısı elde etmek için dökme alüminyum alaşımları için.
  Örneğin, ekstrüde 6063 alaşımlı bir 30:1 oranı termal iletkenliği artırdı 175 (asi) ile 205 W/(M · K) tane boyutunu küçülterek 80 ile 15 μm.
• Kontrollü Ekstrüzyon Sıcaklığı: Yeniden kristalleşmeyi ve tane büyümesini dengelemek için 400–450 °C'de ekstrüzyon yapın.
  Daha yüksek sıcaklıklar (>480 ° C) tane irileşmesine neden olur, daha düşük sıcaklıklar ise (<380 ° C) deformasyon direncini arttırır ve kafes kusurlarını koruyabilir.
• Şekillendirme Sonrası Tavlama: Ekstrüzyon/haddelemeyi düşük sıcaklıkta tavlamayla birleştirin (300–350 °C için 1 saat) artık gerilimi azaltmak ve tahılları daha da rafine etmek için.
  Bu adım, yüksek oranda deforme olmuş alaşımlarda termal iletkenliği %5-8 oranında daha artırabilir.

Vaka çalışması: Ekstrüde 5052 Isı Eşanjörleri için Alaşım

Oyuncu kadrosu 5052 alaşımın termal iletkenliği vardı 175 W/(M · K) ile 2% gözeneklilik ve iri taneler (70 μm).

Ekstrüzyondan sonra (oran 25:1, 420 ° C) ve tavlama (320 ° C için 1 saat), sergilenen alaşım 0.5% gözeneklilik, ince taneler (25 μm), ve termal iletkenliği 198 W/(M · K)—Yayılma durumuna göre  daha yüksek.

5. Yüzey mühendisliği: ısı emiciler için en etkili pratik kol

Isı emiciler ve harici termal donanım için, yüzey emisyonu genellikle konveksiyonla uyum içinde toplam ısı dağılımını kontrol eder.

Kullanılacak iki pratik gerçek:

• Uzak kızılötesi (KÖKNAR) / yüksek emisyonlu kaplamalar: Bu özel boyalar veya seramik bazlı kaplamalar, termal kızılötesi bantta verimli bir şekilde yayılacak şekilde formüle edilmiştir. (tipik olarak 3–20 µm).
  Yüzey emisyonunu ≈0,9'a yükseltirler ve böylece orta ila yüksek yüzey sıcaklıklarında ışınımsal ısı kaybını önemli ölçüde artırırlar..
• Siyah oksit / Siyah anodize / siyah dönüşüm kaplamaları: dayanıklı siyah oksit benzeri kaplama (veya alüminyum üzerine siyah eloksal) yüzey emisyonunu parlak metalin çok üzerinde artırır.
  Pratikte, “Siyah” yüzeyler radyasyon yoluyla doğal yüzeylere göre daha fazla ısı yayar (yansıtıcı) alüminyum yüzeyler.

Önemli açıklama: siyah kaplamalar ve FIR kaplamalar toplu ısı iletkenliğini yükseltmeyin, ama onlar Etkili ısı dağılımını artırın Radyasyonu iyileştirerek bir parçanın (ve bazen yüzey dokusu aracılığıyla konvektif bağlantı).
“Siyah oksit ısıyı doğal renkten daha iyi iletir” demek sadece şu anlamda doğrudur: net ısı dağılımı yüzeyden - malzemenin k'sı arttığından değil.

6. Pratik yol haritası & öncelikli müdahaleler

Önce en büyük kazanımları hedefleyen aşamalı bir yaklaşım kullanın:

1. Alaşım seçimi: en az alaşımlı olanı seç, Güç/korozyon ihtiyaçlarını karşılayan en yüksek iletkenliğe sahip alaşım.
2. Eritme uygulaması: gaz gidermeyi uygulamak, akı kapağı, Gözenekleri ve kalıntıları en aza indirmek için filtreleme ve sıkı sıcaklık kontrolü.
3. Döküm rotası seçimi: düşük gözeneklilik sağlayan işlemleri tercih edin (kalıcı kalıp, Sıkma dökümü, yatırım kadrosu vakumlu) ısı açısından kritik bileşenler için.
4. Döküm sonrası yoğunlaştırma: kritik uygulamalar için HIP kullanın.
5. Termal işleme: Mümkün olduğunda çözünen maddenin çözeltiden çökeltilmesi için tavlama veya yaşlandırma işlemleri tasarlama.
6. Şekillendirme: Artık gözenekliliği kapatmak ve mikro yapıyı homojenleştirmek için ekstrüzyon/dövme/haddeleme uygulayın.
7. Yüzey ve birleştirme uygulamaları: birincil ısı yollarında kaynak bölgelerinden ve ısı renk tonlarından kaçının; kaynak gerekiyorsa, Mümkün olduğunda iletkenliği yeniden sağlamak için lokal tedavileri planlayın.

7. Sonuç önerisi

Alüminyum alaşımının termal iletkenliğini iyileştirmek, alaşım tasarımını birleştiren çok disiplinli bir iştir, eritme metalurjisi, ısıl işlem ve şekillendirme.

Şununla başla: malzeme seçimi— ancak o zaman optimize edin süreç kontrolleri (gazetleme, filtreleme, döküm yöntemi), ardından ısıl işlem ve mekanik işleme kusurları kapatmak ve mikro yapıyı ayarlamak için.

İletkenliğin görev açısından kritik olduğu yerler, hedefleri ölçmek, elektriksel/termal test gerektirir, ve mekanik dayanım arasında gerekli ödünleşimleri kabul edin., maliyet ve üretilebilirlik.

SSS

Siyah oksit alüminyumun toplu termal iletkenliğini arttırır mı??

Hayır — yüzey emisyonunu ve dolayısıyla ışınımsal ısı dağılımını artırır. Alaşımın kütlesi, ince bir yüzey kaplamasıyla değişmez.

Kaplama her zaman cilalamaktan daha mı iyidir??

Parlatma, konvektif sürtünmeyi azaltır ve emisyonu azaltır (radyasyon için daha kötü). Genel ısı emici performansı için, yüksek ε siyah kaplama, radyasyonun ihmal edilebilir olduğu ve konveksiyonun baskın olduğu durumlar dışında genellikle cilalı metali yener.

FIR kaplama ne zaman en etkilidir??

Yüzey sıcaklıklarının orta ila yüksek olduğu yerler, konveksiyonun sınırlı olduğu yer (düşük hava akışı), vakum veya düşük basınçlı ortamlarda, veya hava akışı altında bile bileşenin kararlı durum sıcaklığını azaltmak için.

Referanslar

1. ASM International. (2020). ASM El Kitabı Cilt 2: Özellikler ve Seçim: Demir Dışı Alaşımlar ve Özel Amaçlı Malzemeler. ASM International.
2. Amerikan Döküm Derneği. (2018). Alüminyum Döküm El Kitabı. AFS Basın.
3. Zhang, Y., ve diğerleri. (2021). Alaşım elementleri ve ısıl işlemin 6xxx serisi alüminyum alaşımlarının ısıl iletkenliğine etkileri. Malzeme İşleme Teknolojisi Dergisi, 294, 117189.
4. Li, J., ve diğerleri. (2022). Erime ve ekstrüzyon parametrelerinin ısıl iletkenliğe etkisi 5052 alüminyum alaşımı. Malzeme Bilimi ve Mühendisliği A, 845, 143126.
5. Davis, J. R. (2019). Alüminyum ve Alüminyum Alaşımları: Özellikler, Özellikler, ve uygulamalar. ASM International.
6. Wang Hui. Yüksek ısı iletkenliğine sahip alüminyum alaşımlarının geliştirilmesi ve araştırma ilerlemesi [J]. Dökümhane, 2019, 68(10):1104