Як покращити теплопровідність алюмінієвих сплавів?

Внутрішня висока теплопровідність алюмінію є однією з його найцінніших властивостей для теплопередачі та терморегулювання..

Чистий алюміній демонструє теплопровідність ~237 Вт/(м · k) при 25 ° C, але комерційні сплави зазвичай коливаються від 80 до 200 W/(м · k) в залежності від складу і обробки.

Покращення теплопровідності алюмінієвих сплавів вимагає цілеспрямованого підходу, заснованого на чотирьох основних факторах впливу: Склад сплаву, термічна обробка, практики плавлення, і процеси формування.

У цій статті систематично аналізуються механізми, що стоять за кожним фактором, і пропонуються засновані на фактичних даних стратегії для оптимізації теплових характеристик, з акцентом на промислову придатність і технічну здійсненність.

1. Оптимізація складу сплаву: Зведення до мінімуму деградації теплопровідності

Основними визначальними факторами є легуючі елементи алюміній теплопровідність сплавів, оскільки вони порушують транспорт електронів і фононів — два основні механізми теплопередачі в металах.

Вплив кожного елемента залежить від його розчинності, хімічний зв'язок, і утворення вторинних фаз.

Для підвищення теплопровідності, при оптимізації складу пріоритетом має бути зменшення шкідливих елементів і збалансування функціональних властивостей (Напр., міцність, Корозійна стійкість) з ефективністю теплопередачі.

Механізми впливу легуючих елементів

У теплопровідності алюмінію домінує рухливість електронів: дефекти решітки, атомів розчиненої речовини, а вторинні фази розсіюють електрони, підвищення теплового опору.

Ключові спостереження з металургійних досліджень:

• Сильно шкідливі елементи: Хром (Cr), літій (Лі), і марганець (Мн) утворюють стійкі інтерметалічні сполуки (Напр., Al₆Mn, AlCr₂) і спричинити серйозне спотворення решітки.
  Навіть 0.5 мас.% Cr знижує теплопровідність чистого алюмінію на 40–50%, в той час 1 мас.% Li зменшує його на ~35% (Дані ASM International).
• Помірно шкідливі елементи: Кремнію (І), магній (Мг), і мідь (Куточок) є звичайними легуючими елементами, які збалансовують міцність і технологічність.
  Їх вплив залежить від концентрації: 5 мас.% Si знижує теплопровідність до ~160 Вт/(м · k), в той час 2 мас.% Cu знижує його до ~200 Вт/(м · k) (порівняно з чистим Алом 237 W/(м · k)).
• Елементи незначного впливу: Сутма (СБ), кадмій (CD), жерстя (Sn), і вісмуту (Бі) мають низьку розчинність в алюмінії (<0.1 мас.%) і не утворюють грубих вторинних фаз.
  Додавання до 0.3 мас.% цих елементів не має вимірного впливу на теплопровідність, роблячи їх придатними для зміни інших властивостей (Напр., обробка) без шкоди для теплопередачі.

Стратегії оптимізації композиції

• Зведіть до мінімуму шкідливі елементи: Суворо контролювати Кр, Лі, і вміст Mn до <0.1 мас.% для сплавів з високою теплопровідністю. Наприклад, заміна 1 мас.%
  Мн с 0.5 мас.% Mg у сплаві серії 6xxx може збільшити теплопровідність від 150 до 180 W/(м · k) зберігаючи порівнянну міцність.
• Оптимізація функціонального легування: Для 5xxx-серії (Аль-мг) сплави, обмеження Mg до 2–3 мас.% для досягнення балансу теплопровідності (~180–200 Вт/(м · k)) і корозійна стійкість.
  Для 6xxx-серії (Аль-Мг-Сі) сплави, використовувати Si:Mg коефіцієнт 1.5:1 (Напр., 0.6 мас.% Si + 0.4 мас.% Mg) з утворенням тонкого осаду Mg₂Si, які мають мінімальний вплив на транспорт електронів.
• Використовуйте Trace Alloying: Додайте 0,1–0,2 мас.% Sb або Sn для покращення ливарної здатності та зменшення гарячого розтріскування без погіршення теплопровідності.
  Це особливо корисно для високочистих алюмінієвих сплавів (99.9%+ Al) використовується в термоуправлінні.

Тематичне дослідження: Високопровідний сплав серії 6xxx

Модифікований 6063 сплав з відновленим Fe (0.1 мас.%) та Мн (0.05 мас.%) і оптимізований Si (0.5 мас.%)/Мг (0.3 мас.%) досягається теплопровідність 210 W/(м · k)—на 20% вище стандарту 6063 (175 W/(м · k))— при збереженні межі текучості 140 MPA (підходить для екструзійних застосувань, таких як радіатори).

2. Термічна обробка пошиття: Зменшення спотворень решітки та оптимізація мікроструктури

Термічна обробка змінює мікроструктуру алюмінієвого сплаву (Напр., стан твердого розчину, розподіл осаду, цілісність решітки), безпосередньо впливають на розсіювання електронів і теплопровідність.

Три основні процеси термічної обробки — відпал, гасіння, і старіння — справляють чіткий вплив на теплові характеристики.

Механізми впливу термічної обробки

• Гасіння: Швидке охолодження (100–1000 °C/с) від температури розчину (500–550 ° C) утворює перенасичений твердий розчин, викликаючи серйозне спотворення решітки та посилене розсіювання електронів.
  Це знижує теплопровідність на 10–15% порівняно з литим станом.
  Наприклад, загартований 6061-T6 має теплопровідність ~167 Вт/(м · k), проти. 180 W/(м · k) для відпаленого сплаву.
• Відпал: Нагрівання до 300–450 °C і витримка протягом 1–4 годин усуває спотворення решітки, сприяє випаданню атомів розчиненої речовини в дрібні вторинні фази, і зменшує розсіювання електронів.
  Повний відпал (420 ° C для 2 годинник) може відновити теплопровідність на 8-12% в загартованих сплавах.
• Старіння: Природне або штучне старіння (150–200 °C протягом 4–8 годин) утворює когерентні опади (Напр., Mg₂Si у сплавах 6xxx), які мають менший вплив на теплопровідність, ніж спотворення решітки.
  Штучне старіння 6061-T651 (старіння після гарту) призводить до теплопровідності ~170 Вт/(м · k)— трохи вище, ніж T6 через зменшення деформації решітки.

Стратегії оптимізації термічної обробки

• Надайте пріоритет відпалу для високої провідності: Для застосувань, де теплові характеристики є критичними (Напр., Електронні корпуси), використовуйте повний відпал для максимізації теплопровідності.
  Наприклад, відпал 5052-H32 (холодний) в 350 ° C для 3 ч. підвищує теплопровідність від 170 до 190 W/(м · k) шляхом усунення дефектів решітки, спричинених холодною роботою.
• Контрольоване гасіння та старіння: Для сплавів, що вимагають як міцності, так і теплопровідності (Напр., Автомобільні компоненти), використовувати двоетапний процес старіння: попереднє старіння при 100 ° C для 1 годину з подальшим основним витримкою о 180 ° C для 4 годинник.
  Це добре формується, рівномірно розподілені опади з мінімальними спотвореннями решітки, балансування межі текучості (180–200 МПа) і теплопровідність (160–175 Вт/(м · k)) у сплавах серії 6xxx.
• Уникайте надмірного гасіння: Використовуйте помірні швидкості охолодження (50–100 °C/с) для компонентів з товстим перерізом, щоб зменшити викривлення решітки, одночасно забезпечуючи достатнє утримання розчину для старіння.
  Такий підхід зберігає теплопровідність всередині 5% відпаленого стану при досягненні цільової міцності.

Приклад: Поліпшення теплопровідності в 7075 Сплав

Стандарт 7075-T6 має теплопровідність ~130 Вт/(м · k) через високу Cu (2.1–2,9 мас.%) і Zn (5.1–6,1 мас.%) зміст.

Модифікована термічна обробка (Розчин відпалу на 475 ° C для 1 година, повітряне охолодження, і штучне старіння при 120 ° C для 8 годинник) підвищена теплопровідність до 145 W/(м · k) шляхом зменшення викривлення решітки та утворення дрібніших осадів Al₂CuMg.

3. Оптимізація методів плавлення: Відновлення газів, Включення, і дефекти

Умови плавлення, включаючи методи рафінування, контроль температури, і видалення домішок — безпосередньо впливає на чистоту алюмінієвого сплаву (вміст газу, неметалічні включення) і мікроструктурну цілісність.

Гази (Напр., H₂) і включення (Напр., Al₂o₃, MgO) діють як теплові бар'єри, зниження ефективності теплопередачі шляхом розсіювання фононів і порушення потоку електронів.

Механізми впливу плавлення

• Вміст газу: Розчинений водень (H₂) утворює пористість під час застигання, створення пустот, що знижують теплопровідність.
  Вміст водню 0.2 мл/100 г Al може зменшити теплопровідність на 5–8% (Дані Американського ливарного товариства).
• Неметалічні включення: Оксиди (Al₂o₃), карбіди, а силікати виступають як точкові дефекти, розсіювання електронів і фононів.
  Включення розміром більше ніж 5 мкм особливо згубні — знижують теплопровідність на 10–15 % у сплавів з >0.5 об.% вмісту включення.
• Температура плавлення: Надмірно високі температури (>780 ° C) збільшують утворення оксидів і розчинність водню, при температурі <680 °C викликають неповне плавлення та сегрегацію.
  Обидва сценарії погіршують теплопровідність.

Стратегії оптимізації плавлення

• Контрольована температура плавлення: Підтримуйте температуру плавлення 700–750 °C, щоб мінімізувати поглинання газу та утворення оксиду.
  Цей діапазон врівноважує плинність (критичний для кастингу) і чистота для більшості кованих і литих алюмінієвих сплавів.
• Ефективне очищення: Використовуйте комбінацію NaCl-KCl (1:1 співвідношення) як покривний засіб (2–3 мас.% розплаву) для запобігання окислення і гексахлоретану (C₂Cl₆) як рафінуючий агент (0.1–0,2 мас.%) для видалення водневих і неметалічних включень.
  Це знижує вміст водню до <0.1 мл/100 г Al і вміст включення до <0.2 об.%.
• Добавки для депарафінізації та дегазації: Додайте 0,1–0,3 мас.% фториду кальцію (CaF₂), активоване вугілля, або хлорид натрію (NaCl) для зменшення пористості та оксидних включень.
  Ці добавки сприяють флотації включень і вивільненню газів, що затрималися, підвищення теплопровідності на 8-10%.
• Вакуумне плавлення для високої чистоти: Для застосувань із надвисокою провідністю (Напр., аерокосмічний термічний менеджмент), використовувати вакуумне плавлення (10⁻³–10⁻⁴ Па) зменшити вміст водню до <0.05 мл/100 г Al і усунути атмосферні забруднення.
  Розплавлений у вакуумі 1050 алюміній досягає теплопровідності 230 W/(м · k)—97% від теоретичного значення чистого алюмінію.

Промислова валідація

Ливарне виробництво 356 алюмінієвий сплав для автомобільних головок циліндрів реалізовано оптимізовану практику плавлення (720 температура °C, Засіб для покриття NaCl-KCl, і рафінування C₂Cl₆).

Отриманий сплав мав вміст водню 0.08 мл/100 г Al і вміст включення 0.15 об.%, що призводить до підвищення теплопровідності від 150 до 168 W/(м · k)—на 12% вище, ніж у попередньому процесі.

4. Покращення процесів формування: Покращення мікроструктури та зменшення дефектів

Процеси формування (Напр., екструзія, прокатка, кування) змінити мікроструктуру алюмінієвого сплаву шляхом зменшення ливарних дефектів (Напр., пористість, сегрегація, грубі зерна) та покращення однорідності.

Кування та екструзія, зокрема, ефективні для підвищення теплопровідності шляхом уточнення розміру зерна та усунення мікроструктурних неоднорідностей.

Механізми формування впливу

• Екструзія: Висока пластична деформація (коефіцієнт екструзії 10:1 до 50:1) розбиває скупчені включення, ущільнює пористість, і сприяє перекристалізації грубого литого зерна в дрібне, рівномірні зерна (10–50 мкм).
  Це зменшує розсіювання електронів і покращує фононний транспорт, підвищення теплопровідності на 10–15% порівняно з литим станом.
• Прокат/Кування: Подібно до екструзії, ці процеси зменшують сегрегацію та очищають зерна.
  Наприклад, Холодне кочення 1100 алюміній (99.0% Al) з a 70% коефіцієнт зменшення уточнює розмір зерна від 100 мкм (неухильний) до 20 мкм, підвищення теплопровідності від 220 до 230 W/(м · k).
• Зменшення дефектів: Процеси формування усувають дефекти лиття (Напр., усадка пористість, дендритна сегрегація) які діють як теплові бар'єри.
  Ущільнена пористість і порушені включення знижують термічний опір, забезпечуючи більш ефективну теплопередачу.

Формування стратегій оптимізації процесів

• Екструзія з високою деформацією: Використовуйте коефіцієнт екструзії ≥20:1 для литих алюмінієвих сплавів для досягнення повної рекристалізації та однорідної зернистої структури.
  Наприклад, екструдування 6063 сплав з a 30:1 коефіцієнт підвищеної теплопровідності від 175 (неухильний) до 205 W/(м · k) шляхом зменшення розміру зерна від 80 до 15 мкм.
• Контрольована температура екструзії: Екструдуйте при 400–450 °C, щоб збалансувати рекристалізацію та ріст зерен.
  Більш високі температури (>480 ° C) викликають укрупнення зерна, при нижчих температурах (<380 ° C) підвищує стійкість до деформації і може зберігати дефекти решітки.
• Відпал після формування: Комбінуйте екструзію/прокатку з низькотемпературним відпалом (300–350 °C для 1 година) для зняття залишкової напруги та подальшого очищення зерна.
  Цей крок може збільшити теплопровідність додатково на 5–8% у сильно деформованих сплавах.

Тематичне дослідження: Екструдований 5052 Сплав для теплообмінників

Як литий 5052 сплав мав теплопровідність 175 W/(м · k) з 2% пористість і грубе зерно (70 мкм).

Після екструзії (співвідношення 25:1, 420 ° C) і відпал (320 ° C для 1 година), виставлений сплав 0.5% пористість, дрібне зерно (25 мкм), і теплопровідність 198 W/(м · k)— на 13% вище, ніж у литому стані.

5. Інженерія поверхні: найефективніший практичний важіль для радіаторів

Для радіаторів і зовнішнього теплового обладнання, поверхнева випромінювальна здатність часто контролює загальне розсіювання тепла разом із конвекцією.

Два практичних факти для використання:

• Далекий інфрачервоний (FIR) / високоемісійні покриття: ці спеціальні фарби або покриття на основі кераміки створені для ефективного випромінювання в тепловому інфрачервоному діапазоні (зазвичай 3–20 мкм).
  Вони підвищують поверхневу випромінювальну здатність до ≈0,9 і таким чином різко збільшують радіаційні втрати тепла при помірних і високих температурах поверхні.
• Чорний оксид / Чорний анодізувати / чорне покриття для перетворення: міцне покриття, схоже на чорний оксид (або чорне анодування алюмінію) підвищує поверхневу випромінювальну здатність набагато вище яскравого металу.
  На практиці, «Чорна» обробка розсіює більше тепла за допомогою випромінювання, ніж натуральна (рефлексивний) алюмінієві поверхні.

Важливе уточнення: чорне покриття та FIR покриття не підвищують об'ємну теплопровідність, але вони збільшити ефективну тепловіддачу частини шляхом покращення радіації (і іноді конвективний зв'язок через текстуру поверхні).
Вислів «чорний оксид краще проводить тепло, ніж природний колір» правильний лише в сенсі чисте тепловиділення від поверхні — не те, що k матеріалу збільшується.

6. Практична дорожня карта & пріоритетні заходи

Використовуйте поетапний підхід, який спершу націлений на найбільші прибутки:

1. Вибір сплаву: вибрати найменш легований, сплав з найвищою провідністю, який відповідає вимогам міцності/корозії.
2. Практика плавлення: здійснити дегазацію, кришка флюсу, фільтрація і суворий контроль температури для мінімізації пор і включень.
3. Вибір маршруту кастингу: віддавайте перевагу процесам, які дають низьку пористість (постійна-пліснява, стиснути кастинг, інвестиційне кастинг з вакуумом) для термокритичних компонентів.
4. Ущільнення після лиття: використовуйте HIP для критичних програм.
5. Термічна обробка: відпал або розробка процесів старіння для осадження розчиненої речовини з розчину, коли це можливо.
6. Формування: застосувати екструзію/кування/прокатку для закриття залишкової пористості та гомогенізації мікроструктури.
7. Практика обробки поверхні та з’єднання: уникайте зон зварювання та теплових відтінків на первинних теплових шляхах; якщо потрібно зварювання, сплануйте локальне лікування для відновлення провідності, де це можливо.

7. Підсумкова рекомендація

Поліпшення теплопровідності алюмінієвого сплаву є мультидисциплінарним завданням, що поєднує дизайн сплаву, плавна металургія, термообробка і формування.

Почніть з Вибір матеріалу— лише потім оптимізуйте засоби контролю процесу (дегазація, фільтрація, методом лиття), за ним термічної та механічної обробки для закриття дефектів і налаштування мікроструктури.

Де провідність є критично важливою, кількісно визначити цілі, вимагають електричних/термічних випробувань, і прийняти необхідні компроміси між механічною міцністю, вартість та виробництво.

Поширені запитання

Чи збільшує чорний оксид об’ємну теплопровідність алюмінію?

Ні — це підвищує поверхневу випромінювальну здатність і, отже, радіаційне розсіювання тепла. Основна маса k сплаву не змінюється тонкою поверхнею.

Покриття завжди краще, ніж полірування?

Полірування зменшує конвективний опір і знижує коефіцієнт випромінювання (гірше для радіації). Для загальної продуктивності радіатора, чорне покриття з високим ε зазвичай перевершує полірований метал, за винятком випадків, коли радіація незначна і домінує конвекція.

Коли покриття FIR є найбільш ефективним?

Там, де температура поверхні від помірної до високої, де конвекція обмежена (низький потік повітря), у вакуумі або середовищі низького тиску, або знизити температуру сталого стану компонента навіть під повітряним потоком.

Посилання

1. ASM International. (2020). Том довідника ASM 2: Властивості та вибір: Кольорові сплави та матеріали спеціального призначення. ASM International.
2. Американське ливарне товариство. (2018). Довідник з лиття алюмінію. AFS Press.
3. Чжан, Ю., та ін. (2021). Вплив легуючих елементів і термообробки на теплопровідність алюмінієвих сплавів серії 6xxx. Журнал технології обробки матеріалів, 294, 117189.
4. Лі, Дж., та ін. (2022). Вплив параметрів плавлення та екструзії на теплопровідність 5052 алюмінієвий сплав. Матеріалознавство та інженерія А, 845, 143126.
5. Девіс, J. R. (2019). Алюміній та алюмінієві сплави: Характеристики, Властивості, та програми. ASM International.
6. Ван Хуей. Розробка та прогрес досліджень високотеплопровідних алюмінієвих сплавів [J]. Ливарний цех, 2019, 68(10):1104