Làm thế nào để cải thiện tính dẫn nhiệt của hợp kim nhôm?

Tính dẫn nhiệt cao nội tại của nhôm là một trong những thuộc tính có giá trị nhất của nó đối với các ứng dụng truyền nhiệt và quản lý nhiệt.

Nhôm nguyên chất có độ dẫn nhiệt ~237 W/(m · k) ở 25 ° C., nhưng hợp kim thương mại thường có phạm vi từ 80 ĐẾN 200 có/(m · k) tùy thuộc vào thành phần và chế biến.

Cải thiện tính dẫn nhiệt của hợp kim nhôm đòi hỏi một cách tiếp cận có mục tiêu dựa trên bốn yếu tố ảnh hưởng cốt lõi: Thành phần hợp kim, Điều trị nhiệt, thực hành tan chảy, và quá trình hình thành.

Bài viết này phân tích một cách có hệ thống các cơ chế đằng sau từng yếu tố và đề xuất các chiến lược dựa trên bằng chứng để tối ưu hóa hiệu suất nhiệt, tập trung vào khả năng ứng dụng công nghiệp và tính khả thi về mặt kỹ thuật.

1. Tối ưu hóa thành phần hợp kim: Giảm thiểu sự suy giảm độ dẫn nhiệt

Các nguyên tố hợp kim là yếu tố quyết định chính của nhôm độ dẫn nhiệt của hợp kim, vì chúng phá vỡ sự vận chuyển điện tử và phonon—hai cơ chế truyền nhiệt chính trong kim loại.

Tác động của từng nguyên tố phụ thuộc vào độ hòa tan của nó, liên kết hóa học, và hình thành các pha thứ cấp.

Để tăng cường tính dẫn nhiệt, tối ưu hóa thành phần nên ưu tiên giảm các yếu tố có hại và cân bằng các đặc tính chức năng (VÍ DỤ., sức mạnh, kháng ăn mòn) với hiệu suất truyền nhiệt.

Cơ chế ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim

Độ dẫn nhiệt của nhôm bị chi phối bởi độ linh động của điện tử: khuyết tật mạng, nguyên tử chất tan, và pha thứ cấp tán xạ electron, tăng khả năng chịu nhiệt.

Những quan sát chính từ các nghiên cứu luyện kim:

• Yếu tố có hại cao: Crom (Cr), liti (Li), và mangan (Mn) tạo thành các hợp chất liên kim ổn định (VÍ DỤ., Al₆Mn, AlCr₂) và gây biến dạng mạng nghiêm trọng.
  Thậm chí 0.5 wt.% Cr làm giảm độ dẫn nhiệt của nhôm nguyên chất từ ​​40–50%, trong khi 1 wt.% Li giảm ~35% (Dữ liệu quốc tế ASM).
• Các yếu tố có hại vừa phải: Silicon (Và), magie (Mg), và đồng (Cu) là những nguyên tố hợp kim phổ biến giúp cân bằng độ bền và khả năng xử lý.
  Tác động của chúng phụ thuộc vào nồng độ: 5 wt.% Si giảm độ dẫn nhiệt xuống ~160 W/(m · k), trong khi 2 wt.% Cu giảm nó xuống ~200 W/(m · k) (so với Al nguyên chất 237 có/(m · k)).
• Các yếu tố tác động không đáng kể: Antimon (SB), cadimi (Đĩa CD), thiếc (Sn), và bismuth (Bi) có độ hòa tan thấp trong nhôm (<0.1 wt.%) và không hình thành các pha thứ cấp thô.
  Thêm vào 0.3 wt.% của các nguyên tố này không có ảnh hưởng có thể đo lường được đến độ dẫn nhiệt, làm cho chúng phù hợp để sửa đổi các thuộc tính khác (VÍ DỤ., khả năng gia công) mà không làm giảm sự truyền nhiệt.

Chiến lược tối ưu hóa thành phần

• Giảm thiểu các yếu tố có hại: Kiểm soát chặt chẽ Cr, Li, và hàm lượng Mn tới <0.1 wt.% đối với hợp kim có độ dẫn nhiệt cao. Ví dụ, thay thế 1 wt.%
  Mn với 0.5 wt.% Mg trong hợp kim dòng 6xxx có thể tăng độ dẫn nhiệt từ 150 ĐẾN 180 có/(m · k) trong khi vẫn duy trì sức mạnh tương đương.
• Tối ưu hóa chức năng hợp kim: Đối với dòng 5xxx (Al-mg) hợp kim, giới hạn Mg ở mức 2–3% trọng lượng để đạt được sự cân bằng về độ dẫn nhiệt (~180–200 W/(m · k)) và kháng ăn mòn.
  Đối với dòng 6xxx (Al-mg-si) hợp kim, sử dụng Si:Tỷ lệ Mg của 1.5:1 (VÍ DỤ., 0.6 trọng lượng% Si + 0.4 trọng lượng% Mg) tạo thành kết tủa Mg₂Si mịn, có tác động tối thiểu đến sự vận chuyển điện tử.
• Sử dụng hợp kim dấu vết: Thêm 0,1–0,2% trọng lượng Sb hoặc Sn để cải thiện khả năng đúc và giảm nứt nóng mà không làm giảm tính dẫn nhiệt.
  Điều này đặc biệt hữu ích cho các hợp kim nhôm có độ tinh khiết cao (99.9%+ Al) được sử dụng trong quản lý nhiệt.

Trường hợp nghiên cứu: Hợp kim 6xxx-Series có độ dẫn điện cao

Một sửa đổi 6063 hợp kim có Fe khử (0.1 wt.%) và Mn (0.05 wt.%) và tối ưu hóa Si (0.5 wt.%)/Mg (0.3 wt.%) đạt được độ dẫn nhiệt 210 có/(m · k)—Cao hơn 20% so với tiêu chuẩn 6063 (175 có/(m · k))—trong khi vẫn duy trì sức mạnh năng suất của 140 MPA (thích hợp cho các ứng dụng ép đùn như tản nhiệt).

2. Xử lý nhiệt may: Giảm biến dạng mạng và tối ưu hóa cấu trúc vi mô

Xử lý nhiệt làm thay đổi cấu trúc vi mô của hợp kim nhôm (VÍ DỤ., trạng thái dung dịch rắn, phân phối kết tủa, tính toàn vẹn của mạng), ảnh hưởng trực tiếp đến sự tán xạ electron và độ dẫn nhiệt.

Ba quy trình xử lý nhiệt cơ bản—ủ, làm dịu đi, và lão hóa—gây ra những ảnh hưởng khác biệt đến hiệu suất nhiệt.

Cơ chế ảnh hưởng của xử lý nhiệt

• Làm dịu đi: Làm mát nhanh chóng (100–1000°C/giây) từ nhiệt độ dung dịch (500Mạnh550 ° C.) tạo thành dung dịch rắn quá bão hòa, gây ra sự biến dạng mạng nghiêm trọng và tăng sự tán xạ electron.
  Điều này làm giảm độ dẫn nhiệt từ 10–15% so với trạng thái đúc.
  Ví dụ, dập tắt 6061-T6 có độ dẫn nhiệt ~167 W/(m · k), vs. 180 có/(m · k) cho hợp kim được ủ.
• Ủ: Làm nóng đến 300–450 °C và giữ trong 1–4 giờ sẽ làm giảm biến dạng mạng, thúc đẩy sự kết tủa của các nguyên tử chất tan thành các pha thứ cấp mịn, và làm giảm sự tán xạ điện tử.
  Ủ đầy đủ (420 ° C cho 2 giờ) có thể khôi phục độ dẫn nhiệt từ 8–12% trong hợp kim đã tôi.
• Lão hóa: Lão hóa tự nhiên hoặc nhân tạo (150–200°C trong 4–8 giờ) tạo thành kết tủa kết hợp (VÍ DỤ., Mg₂Si trong hợp kim 6xxx), có tác động nhỏ hơn đến độ dẫn nhiệt so với biến dạng mạng.
  Lão hóa nhân tạo 6061-T651 (lão hóa sau dập tắt) dẫn đến độ dẫn nhiệt ~170 W/(m · k)—cao hơn một chút so với T6 do sức căng của mạng giảm.

Chiến lược tối ưu hóa xử lý nhiệt

• Ưu tiên ủ để có độ dẫn cao: Đối với các ứng dụng mà hiệu suất nhiệt là rất quan trọng (VÍ DỤ., vỏ điện tử), sử dụng ủ hoàn toàn để tối đa hóa độ dẫn nhiệt.
  Ví dụ, ủ 5052-H32 (làm việc lạnh) Tại 350 ° C cho 3 giờ tăng độ dẫn nhiệt từ 170 ĐẾN 190 có/(m · k) bằng cách loại bỏ các khuyết tật mạng do gia công nguội.
• Làm nguội và lão hóa có kiểm soát: Đối với hợp kim yêu cầu cả độ bền và độ dẫn nhiệt (VÍ DỤ., Thành phần ô tô), sử dụng quy trình lão hóa hai bước: tiền lão hóa ở 100 ° C cho 1 giờ tiếp theo là lão hóa chính ở 180 ° C cho 4 giờ.
  Điều này hình thức tốt, kết tủa phân bố đồng đều với độ biến dạng mạng tối thiểu, cân bằng sức mạnh năng suất (180MP200 MPa) và độ dẫn nhiệt (160–175 W/(m · k)) bằng hợp kim dòng 6xxx.
• Tránh làm nguội quá mức: Sử dụng tốc độ làm mát vừa phải (50–100°C/giây) dành cho các thành phần có tiết diện dày để giảm biến dạng mạng đồng thời đảm bảo duy trì đủ chất tan cho quá trình lão hóa.
  Cách tiếp cận này duy trì tính dẫn nhiệt trong 5% của trạng thái ủ trong khi đạt được sức mạnh mục tiêu.

Ví dụ: Cải thiện độ dẫn nhiệt ở 7075 Hợp kim

Tiêu chuẩn 7075-T6 có độ dẫn nhiệt ~130 W/(m · k) do hàm lượng Cu cao (2.1–2,9% trọng lượng) và Zn (5.1–6,1% trọng lượng) nội dung.

Xử lý nhiệt cải tiến (ủ dung dịch ở 475 ° C cho 1 giờ, làm mát không khí, và lão hóa nhân tạo ở 120 ° C cho 8 giờ) tăng độ dẫn nhiệt để 145 có/(m · k) bằng cách giảm biến dạng mạng và hình thành kết tủa Al₂CuMg mịn hơn.

3. Tối ưu hóa thực hành nấu chảy: Giảm khí, Bao gồm, và khiếm khuyết

Điều kiện nóng chảy - bao gồm cả phương pháp tinh chế, kiểm soát nhiệt độ, và loại bỏ tạp chất—ảnh hưởng trực tiếp đến độ sạch của hợp kim nhôm (hàm lượng khí, tạp chất phi kim loại) và tính toàn vẹn của cấu trúc vi mô.

Khí (VÍ DỤ., H₂) và vùi (VÍ DỤ., Al₂o₃, MgO) đóng vai trò là rào cản nhiệt, giảm hiệu suất truyền nhiệt bằng cách phân tán phonon và làm gián đoạn dòng điện tử.

Cơ chế ảnh hưởng nóng chảy

• Nội dung khí: Hydro hòa tan (H₂) hình thành độ xốp trong quá trình đông đặc, tạo ra các khoảng trống làm giảm độ dẫn nhiệt.
  Hàm lượng hydro của 0.2 mL/100g Al có thể làm giảm độ dẫn nhiệt từ 5–8% (Dữ liệu của Hiệp hội đúc Mỹ).
• Tạp chất phi kim loại: Oxit (Al₂o₃), Carbide, và silicat đóng vai trò là khuyết điểm, tán xạ electron và phonon.
  Các tạp chất lớn hơn 5 μm đặc biệt có hại—làm giảm độ dẫn nhiệt từ 10–15% trong hợp kim có >0.5 nội dung bao gồm vol.%.
• Nhiệt độ nóng chảy: Nhiệt độ quá cao (>780 ° C.) tăng sự hình thành oxit và độ hòa tan hydro, trong khi nhiệt độ <680 °C gây ra sự tan chảy và phân tách không hoàn toàn.
  Cả hai kịch bản đều làm giảm độ dẫn nhiệt.

Chiến lược tối ưu hóa nóng chảy

• Kiểm soát nhiệt độ nóng chảy: Duy trì nhiệt độ nóng chảy 700–750 °C để giảm thiểu sự hấp thụ khí và hình thành oxit.
  Phạm vi này cân bằng tính lưu động (quan trọng cho việc đúc) và độ sạch cho hầu hết các hợp kim nhôm rèn và đúc.
• Tinh chế hiệu quả: Sử dụng hỗn hợp NaCl-KCl (1:1 tỷ lệ) như một chất che phủ (2–3% khối lượng tan chảy) để ngăn chặn quá trình oxy hóa và hexachloroethane (C₂Cl₆) như một tác nhân tinh chế (0.1–0,2% trọng lượng) để loại bỏ hydro và tạp chất phi kim loại.
  Điều này làm giảm hàm lượng hydro xuống <0.1 mL/100g Al và hàm lượng bao gồm <0.2 tập.%.
• Phụ gia khử sáp và khử khí: Kết hợp 0,1–0,3% trọng lượng canxi florua (CaF₂), than hoạt tính, hoặc natri clorua (NaCl) để giảm độ xốp và tạp chất oxit.
  Những chất phụ gia này thúc đẩy quá trình tuyển nổi các tạp chất và giải phóng khí bị mắc kẹt, cải thiện độ dẫn nhiệt từ 8–10%.
• Nóng chảy chân không cho độ tinh khiết cao: Đối với các ứng dụng có độ dẫn cực cao (VÍ DỤ., quản lý nhiệt hàng không vũ trụ), sử dụng chân không tan chảy (10⁻³–10⁻⁴ Pa) để giảm hàm lượng hydro xuống <0.05 mL/100g Al và loại bỏ các chất gây ô nhiễm trong khí quyển.
  tan chảy chân không 1050 nhôm đạt được độ dẫn nhiệt 230 có/(m · k)—97% giá trị lý thuyết của nhôm nguyên chất.

Xác nhận công nghiệp

Một xưởng đúc sản xuất 356 hợp kim nhôm cho đầu xi lanh ô tô đã thực hiện các phương pháp nấu chảy được tối ưu hóa (720 nhiệt độ °C, Chất phủ NaCl-KCl, và tinh chế C₂Cl₆).

Hợp kim thu được có hàm lượng hydro là 0.08 mL/100g Al và hàm lượng bao gồm 0.15 tập.%, dẫn đến độ dẫn nhiệt tăng từ 150 ĐẾN 168 có/(m · k)—Cao hơn 12% so với quy trình trước đó.

4. Tăng cường quá trình hình thành: Tinh chỉnh cấu trúc vi mô và giảm thiểu khuyết tật

Quá trình hình thành (VÍ DỤ., phun ra, lăn, rèn) sửa đổi cấu trúc vi mô của hợp kim nhôm bằng cách giảm các khuyết tật đúc (VÍ DỤ., Độ xốp, sự tách biệt, hạt thô) và cải thiện tính đồng nhất.

Rèn và đùn, đặc biệt, có hiệu quả trong việc tăng cường độ dẫn nhiệt bằng cách tinh chỉnh kích thước hạt và loại bỏ sự không đồng nhất về cấu trúc vi mô.

Cơ chế hình thành ảnh hưởng

• Phun ra: Biến dạng dẻo cao (tỷ lệ đùn 10:1 ĐẾN 50:1) phá vỡ các cụm vùi, nén độ xốp, và thúc đẩy quá trình kết tinh lại của hạt đúc thô thành hạt mịn, Hạt đồng đều (1050 50 m).
  Điều này làm giảm sự tán xạ electron và cải thiện sự vận chuyển phonon, tăng độ dẫn nhiệt lên 10–15% so với trạng thái đúc.
• Cán/Rèn: Tương tự như đùn, các quá trình này làm giảm sự phân chia và tinh chế hạt.
  Ví dụ, Cuộn lạnh 1100 nhôm (99.0% Al) với một 70% tỷ lệ giảm tinh chỉnh kích thước hạt từ 100 μm (như đúc) ĐẾN 20 μm, tăng độ dẫn nhiệt từ 220 ĐẾN 230 có/(m · k).
• Khiếm khuyết giảm: Quá trình tạo hình loại bỏ các khuyết tật đúc (VÍ DỤ., Độ xốp co ngót, sự phân chia đuôi gai) hoạt động như rào cản nhiệt.
  Độ xốp bị nén và các tạp chất bị vỡ làm giảm khả năng chịu nhiệt, cho phép truyền nhiệt hiệu quả hơn.

Hình thành chiến lược tối ưu hóa quy trình

• Đùn biến dạng cao: Sử dụng tỷ lệ đùn ≥20:1 cho hợp kim nhôm đúc để đạt được sự kết tinh lại hoàn toàn và cấu trúc hạt đồng nhất.
  Ví dụ, đùn ra 6063 hợp kim với một 30:1 tỷ lệ tăng độ dẫn nhiệt từ 175 (như đúc) ĐẾN 205 có/(m · k) bằng cách giảm kích thước hạt từ 80 ĐẾN 15 μm.
• Nhiệt độ đùn được kiểm soát: Đùn ở nhiệt độ 400–450 °C để cân bằng quá trình kết tinh lại và sự phát triển của hạt.
  Nhiệt độ cao hơn (>480 ° C.) gây ra hiện tượng hạt thô, trong khi nhiệt độ thấp hơn (<380 ° C.) tăng khả năng chống biến dạng và có thể giữ lại các khuyết tật mạng.
• Ủ sau khi hình thành: Kết hợp đùn/cán với ủ ở nhiệt độ thấp (300–350°C đối với 1 giờ) để giảm bớt căng thẳng còn lại và tinh chế thêm ngũ cốc.
  Bước này có thể tăng độ dẫn nhiệt thêm 5–8% ở các hợp kim có độ biến dạng cao.

Trường hợp nghiên cứu: Đùn ra 5052 Hợp kim cho bộ trao đổi nhiệt

Diễn viên 5052 hợp kim có độ dẫn nhiệt là 175 có/(m · k) với 2% độ xốp và hạt thô (70 μm).

Sau khi đùn (tỷ lệ 25:1, 420 ° C.) và ủ (320 ° C cho 1 giờ), hợp kim được trưng bày 0.5% Độ xốp, hạt mịn (25 μm), và độ dẫn nhiệt của 198 có/(m · k)—Cao hơn 13% so với trạng thái đúc.

5. Kỹ thuật bề mặt: đòn bẩy thiết thực nhất cho tản nhiệt

Dành cho tản nhiệt và phần cứng nhiệt bên ngoài, độ phát xạ bề mặt thường kiểm soát tổng lượng nhiệt tản ra cùng với sự đối lưu.

Hai sự thật thực tế để sử dụng:

• Hồng ngoại xa (CÂY THÔNG) / lớp phủ phát xạ cao: những loại sơn chuyên dụng hoặc lớp phủ gốc gốm này được chế tạo để phát xạ hiệu quả trong dải hồng ngoại nhiệt (thường là 3–20 µm).
  Chúng nâng độ phát xạ bề mặt lên ≈0,9 và do đó làm tăng đáng kể sự mất nhiệt bức xạ ở nhiệt độ bề mặt từ trung bình đến cao.
• Oxit đen / Anodize đen / kết thúc chuyển đổi màu đen: lớp hoàn thiện bền như oxit đen (hoặc anodizing đen trên nhôm) tăng độ phát xạ bề mặt vượt xa kim loại sáng.
  Trong thực tế, Lớp hoàn thiện “đen” tản nhiệt bằng bức xạ nhiều hơn tự nhiên (phản chiếu) bề mặt nhôm.

Làm rõ quan trọng: lớp hoàn thiện màu đen và lớp phủ FIR không tăng độ dẫn nhiệt số lượng lớn, nhưng họ tăng khả năng tản nhiệt hiệu quả của một phần bằng cách cải thiện bức xạ (và đôi khi là sự ghép nối đối lưu thông qua kết cấu bề mặt).
Nói “oxit đen dẫn nhiệt tốt hơn màu tự nhiên” chỉ đúng theo nghĩa tản nhiệt ròng từ bề mặt - không phải là k của vật liệu tăng lên.

6. Lộ trình thực tế & can thiệp ưu tiên

Sử dụng phương pháp tiếp cận theo giai đoạn nhằm đạt được lợi ích lớn nhất trước tiên:

1. Lựa chọn hợp kim: chọn ít hợp kim nhất, hợp kim có độ dẫn điện cao nhất đáp ứng nhu cầu về độ bền/ăn mòn.
2. thực hành tan chảy: thực hiện khử khí, nắp thông lượng, lọc và kiểm soát nhiệt độ nghiêm ngặt để giảm thiểu lỗ chân lông và tạp chất.
3. Lựa chọn tuyến đường truyền: thích các quá trình mang lại độ xốp thấp (khuôn vĩnh viễn, Squeeze đúc, Đúc đầu tư với chân không) cho các bộ phận quan trọng về nhiệt.
4. Mật độ sau đúc: sử dụng HIP cho các ứng dụng quan trọng.
5. Xử lý nhiệt: ủ hoặc thiết kế các phương pháp xử lý lão hóa để kết tủa chất tan ra khỏi dung dịch khi có thể.
6. Hình thành: áp dụng ép đùn/rèn/cán để đóng độ xốp còn lại và đồng nhất cấu trúc vi mô.
7. Thực hành bề mặt và nối: tránh các vùng hàn và sắc thái nhiệt trên đường dẫn nhiệt chính; nếu cần hàn, lập kế hoạch xử lý cục bộ để khôi phục độ dẫn điện khi khả thi.

7. Khuyến nghị kết luận

Cải thiện độ dẫn nhiệt của hợp kim nhôm là một nhiệm vụ đa ngành kết hợp thiết kế hợp kim, luyện kim tan chảy, xử lý nhiệt và tạo hình.

Bắt đầu với Lựa chọn vật chất—chỉ sau đó tối ưu hóa điều khiển quá trình (khử khí, lọc, Phương pháp đúc), theo sau là xử lý nhiệt và gia công cơ khí để đóng các khiếm khuyết và điều chỉnh cấu trúc vi mô.

Trường hợp độ dẫn điện là nhiệm vụ quan trọng, định lượng mục tiêu, yêu cầu kiểm tra điện/nhiệt, và chấp nhận sự đánh đổi cần thiết giữa độ bền cơ học, Chi phí và khả năng sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

Oxit đen có làm tăng tính dẫn nhiệt khối lượng lớn của nhôm không?

Không - nó làm tăng độ phát xạ bề mặt và do đó tản nhiệt bức xạ. Khối lượng k của hợp kim không thay đổi nhờ lớp hoàn thiện bề mặt mỏng.

Sơn phủ có tốt hơn đánh bóng không?

Đánh bóng làm giảm lực cản đối lưu và giảm độ phát xạ (tệ hơn cho bức xạ). Để có hiệu suất tản nhiệt tổng thể, lớp phủ màu đen có chỉ số ε cao thường đánh bại kim loại được đánh bóng trừ khi bức xạ không đáng kể và đối lưu chiếm ưu thế.

Khi nào lớp phủ FIR hiệu quả nhất?

Nơi nhiệt độ bề mặt từ trung bình đến cao, nơi đối lưu bị hạn chế (luồng không khí thấp), trong môi trường chân không hoặc áp suất thấp, hoặc để giảm nhiệt độ ở trạng thái ổn định của thành phần ngay cả khi có luồng không khí.

Tài liệu tham khảo

1. ASM quốc tế. (2020). Quyển sổ tay ASM 2: Thuộc tính và lựa chọn: Hợp kim màu và vật liệu chuyên dùng. ASM quốc tế.
2. Hiệp hội đúc Mỹ. (2018). Cẩm nang đúc nhôm. Báo chí AFS.
3. Trương, Y., và cộng sự. (2021). Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim và xử lý nhiệt đến tính dẫn nhiệt của hợp kim nhôm dòng 6xxx. Tạp chí Công nghệ chế biến vật liệu, 294, 117189.
4. Li, J., và cộng sự. (2022). Ảnh hưởng của các thông số nóng chảy và đùn đến độ dẫn nhiệt của 5052 Hợp kim nhôm. Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu A, 845, 143126.
5. Davis, J. R. (2019). Nhôm và hợp kim nhôm: Đặc trưng, Của cải, và các ứng dụng. ASM quốc tế.
6. Vương Huy. Tiến độ phát triển và nghiên cứu hợp kim nhôm dẫn nhiệt cao [J]. xưởng đúc, 2019, 68(10):1104