铝固有的高导热性是其对于传热和热管理应用最有价值的属性之一.
纯铝的导热系数约为 237 W/(m·k) 在25°C, 但商业合金的范围通常包括 80 到 200 带/(m·k) 取决于成分和加工.
提高铝合金导热系数需要基于四个核心影响因素采取有针对性的方法: 合金成分, 热处理, 熔化实践, 和成型工艺.
本文系统地分析了每个因素背后的机制，并提出了基于证据的策略来优化热性能, 注重工业实用性和技术可行性.
1. 优化合金成分: 最大限度地减少热导率下降
合金元素是主要决定因素 铝 合金的导热系数, 因为它们会破坏电子和声子传输——金属传热的两种主要机制.
每种元素的影响取决于其溶解度, 化学键合, 和第二相的形成.
增强导热性, 成分优化应优先考虑减少有害元素和平衡功能特性 (例如。, 力量, 耐腐蚀性) 具有传热效率.
合金元素影响机制
铝的导热性主要由电子迁移率决定: 晶格缺陷, 溶质原子, 第二相散射电子, 增加热阻.
冶金研究的主要观察结果:
- 高度有害元素: 铬 (Cr), 锂 (李), 和锰 (Mn) 形成稳定的金属间化合物 (例如。, 铝₆锰, 铝铬) 并引起严重的晶格畸变.
甚至 0.5 wt.% Cr 使纯铝的热导率降低 40–50%, 尽管 1 wt.% Li 使其降低约 35% (ASM国际数据). - 中等有害元素: 硅 (和), 镁 (毫克), 和铜 (铜) 是平衡强度和加工性能的常见合金元素.
它们的影响取决于浓度: 5 wt.% Si 将热导率降低至 ~160 W/(m·k), 尽管 2 wt.% Cu 将其降低至 ~200 W/(m·k) (与纯铝相比 237 带/(m·k)). - 影响因素可忽略不计: 锑 (SB), 镉 (光盘), 锡 (sn), 和铋 (双) 在铝中溶解度低 (<0.1 wt。％) 并且不形成粗大的第二相.
加起来为 0.3 这些元素的 wt.% 对热导率没有可测量的影响, 使它们适合修改其他属性 (例如。, 可加工性) 不牺牲传热.
成分优化策略
- 尽量减少有害元素: 严格控制Cr, 李, 和 Mn 含量 <0.1 高导热合金的 wt.%. 例如, 更换 1 wt。％
锰与 0.5 6xxx 系列合金中的 wt.% Mg 可以提高热导率 150 到 180 带/(m·k) 同时保持相当的实力. - 优化功能合金: 对于 5xxx 系列 (al-mg) 合金, 将 Mg 限制在 2–3 wt.%，以实现热导率平衡 (~180–200 瓦/(m·k)) 和耐腐蚀性.
对于 6xxx 系列 (al-mg-si) 合金, 使用硅:镁比例 1.5:1 (例如。, 0.6 重量% 硅 + 0.4 重量% 镁) 形成细小的 Mg2Si 沉淀物, 对电子传输影响最小. - 利用微量合金化: 添加 0.1–0.2 wt.% Sb 或 Sn，以提高铸造性能并减少热裂纹，同时不会降低导热性.
这对于高纯度铝合金特别有用 (99.9%+ al) 用于热管理.
案例研究: 高电导率 6xxx 系列合金
一个修改过的 6063 含铁量减少的合金 (0.1 wt。％) 和锰 (0.05 wt。％) 和优化的硅 (0.5 wt。％)/毫克 (0.3 wt。％) 达到了热导率 210 带/(m·k)—比标准高20% 6063 (175 带/(m·k))——同时保持屈服强度 140 MPA (适用于散热器等挤出应用).
2. 剪裁热处理: 减少晶格畸变并优化微观结构
热处理改变铝合金的微观结构 (例如。, 固溶态, 沉淀物分布, 晶格完整性), 直接影响电子散射和热导率.
三种主要热处理工艺——退火, 淬火, 和老化——对热性能产生明显影响.
热处理影响机制
- 淬火: 快速冷却 (100–1000°C/秒) 从溶液温度 (500–550°C) 形成过饱和固溶体, 导致严重的晶格畸变和电子散射增加.
与铸态相比，导热系数降低了 10-15%.
例如, 淬火 6061-T6 的导热系数约为 167 W/(m·k), vs. 180 带/(m·k) 对于退火态合金. - 退火: 加热至 300–450 °C 并保持 1–4 小时可消除晶格畸变, 促进溶质原子沉淀成细小的第二相, 并减少电子散射.
完全退火 (420 °C 2 小时) 可使淬火合金的导热率恢复 8-12%. - 老化: 自然或人工老化 (150–200 °C，持续 4–8 小时) 形成连贯沉淀物 (例如。, 6xxx 合金中的 Mg2Si), 对热导率的影响比晶格畸变小.
6061-T651人工时效 (淬火后时效) 导致热导率约为 170 W/(m·k)—由于晶格应变降低，略高于 T6.
热处理优化策略
- 优先考虑退火以获得高电导率: 适用于热性能至关重要的应用 (例如。, 电子外壳), 使用完全退火最大限度地提高热导率.
例如, 退火5052-H32 (冷工) 在 350 °C 3 小时增加热导率 170 到 190 带/(m·k) 通过消除冷加工引起的晶格缺陷. - 控制淬火和时效: 对于同时要求强度和导热性的合金 (例如。, 汽车组件), 使用两步老化过程: 预老化于 100 °C 1 小时后进行主要老化 180 °C 4 小时.
这形式很好, 析出物分布均匀，晶格畸变最小, 平衡屈服强度 (180–200 MPA) 和导热率 (160–175 瓦/(m·k)) 6xxx 系列合金. - 避免过度淬火: 使用适中的冷却速率 (50–100°C/秒) 用于厚截面部件，减少晶格畸变，同时确保足够的溶质保留以应对老化.
这种方法将热导率保持在 5% 退火状态，同时达到目标强度.
例子: 导热系数的改善 7075 合金
标准 7075-T6 的导热系数约为 130 W/(m·k) 由于高铜 (2.1–2.9 重量%) 和锌 (5.1–6.1 重量%) 内容.
改进的热处理 (解决方案退火 475 °C 1 小时, 空气冷却, 以及人工老化 120 °C 8 小时) 增加热导率 145 带/(m·k) 通过减少晶格畸变并形成更细的 Al2CuMg 沉淀物.
3. 优化熔化实践: 减少气体, 包含, 和缺陷
熔化条件——包括精炼方法, 温度控制, 和除杂——直接影响铝合金的洁净度 (气体含量, 非金属夹杂物) 和微观结构的完整性.
气体 (例如。, h₂) 和夹杂物 (例如。, al₂o₃, 氧化镁) 充当热障, 通过散射声子和扰乱电子流来降低传热效率.
融化影响机制
- 气体含量: 溶解氢 (h₂) 凝固过程中形成孔隙, 产生降低导热性的空隙.
氢含量为 0.2 mL/100g Al 可使热导率降低 5–8% (美国铸造协会数据). - 非金属夹杂物: 氧化物 (al₂o₃), 碳化物, 硅酸盐充当点缺陷, 散射电子和声子.
夹杂物大于 5 μm 尤其有害——合金的导热系数降低 10-15% >0.5 vol.% 夹杂物含量. - 熔化温度: 温度过高 (>780 °C) 增加氧化物的形成和氢的溶解度, 而温度 <680 °C导致不完全熔化和偏析.
这两种情况都会降低热导率.
熔化优化策略
- 控制熔化温度: 保持 700–750 °C 的熔化温度，以尽量减少气体吸收和氧化物形成.
该范围平衡流动性 (对于铸造至关重要) 大多数锻造和铸造铝合金的清洁度. - 有效精炼: 使用 NaCl-KCl 的组合 (1:1 比率) 作为覆盖剂 (2–3 wt.% 熔体) 防止氧化和六氯乙烷 (C2Cl₆) 作为精炼剂 (0.1–0.2 重量%) 去除氢和非金属夹杂物.
这将氢含量降低至 <0.1 mL/100g Al 及夹杂物含量 <0.2 体积%. - 脱蜡脱气添加剂: 加入 0.1–0.3 wt.% 氟化钙 (氟化钙), 活性炭, 或氯化钠 (NACL) 减少孔隙率和氧化物夹杂物.
这些添加剂促进夹杂物的浮选并释放捕获的气体, 导热率提高 8–10%. - 真空熔炼以获得高纯度: 适用于超高电导率应用 (例如。, 航空航天热管理), 使用真空熔炼 (10⁻3–10⁻⁴帕) 将氢含量降低至 <0.05 mL/100g Al并消除大气污染物.
真空熔炼 1050 铝的导热系数为 230 带/(m·k)—纯铝理论值的97%.
工业验证
一家铸造厂生产 356 汽车气缸盖铝合金采用优化的熔炼方法 (720 °C 温度, NaCl-KCl覆盖剂, 和C2Cl₆精炼).
所得合金的氢含量为 0.08 mL/100g Al及夹杂物含量 0.15 体积%, 导致热导率增加 150 到 168 带/(m·k)—比之前的工艺高12%.
4. 增强成型工艺: 细化微观结构，减少缺陷
成型工艺 (例如。, 挤压, 滚动, 锻造) 通过减少铸造缺陷来改变铝合金的微观结构 (例如。, 孔隙率, 隔离, 粗粮) 并提高均匀性.
锻造和挤压, 尤其, 通过细化晶粒尺寸和消除微观结构不均匀性，有效提高导热性.
影响力形成机制
- 挤压: 高塑性变形 (挤压比 10:1 到 50:1) 打碎聚集的夹杂物, 压实孔隙度, 并促进粗大铸态晶粒再结晶为细小晶粒, 均匀的晶粒 (10–50μm).
这减少了电子散射并改善了声子传输, 与铸态相比，导热率提高 10-15%. - 轧制/锻造: 类似于挤压, 这些过程减少偏析并细化晶粒.
例如, 冷滚动 1100 铝 (99.0% al) 与一个 70% 减速比细化晶粒尺寸 100 μm (铸造) 到 20 μm, 增加热导率 220 到 230 带/(m·k). - 减少缺陷: 成型工艺消除铸造缺陷 (例如。, 收缩孔隙度, 枝晶偏析) 充当热障.
压实的孔隙和破碎的夹杂物降低了热阻, 实现更高效的热传递.
成型工艺优化策略
- 高变形挤压: 使用挤出比≥20:1 用于铸造铝合金实现完全再结晶和均匀晶粒结构.
例如, 挤压 6063 合金与 30:1 导热系数增加的比率 175 (铸造) 到 205 带/(m·k) 通过减小晶粒尺寸 80 到 15 μm. - 受控的挤出温度: 在 400–450 °C 下挤压以平衡再结晶和晶粒生长.
高温 (>480 °C) 引起晶粒粗化, 当温度较低时 (<380 °C) 增加变形抗力并可能保留晶格缺陷. - 成型后退火: 将挤压/轧制与低温退火相结合 (300–350 °C 1 小时) 消除残余应力，进一步细化晶粒.
此步骤可以将高度变形合金的导热率额外提高 5-8%.
案例研究: 挤压 5052 热交换器用合金
铸态 5052 合金的导热系数为 175 带/(m·k) 和 2% 孔隙率和粗晶粒 (70 μm).
挤出后 (比率 25:1, 420 °C) 和退火 (320 °C 1 小时), 所展示的合金 0.5% 孔隙率, 细粒 (25 μm), 和热导率 198 带/(m·k)—比铸态高13%.
5. 表面工程: 最有效实用的散热器杠杆
用于散热器和外部散热硬件, 表面发射率 通常与对流一起控制总散热量.
两个实用的事实:
- 远红外线 (冷杉) / 高发射率涂层: 这些专门的油漆或陶瓷基涂料经过配制，可在热红外波段有效发射 (通常为 3–20 µm).
它们将表面发射率提高至约 0.9，从而在中等到高表面温度下显着增加辐射热损失. - 黑色氧化物 / 黑色阳极氧化 / 黑色转换饰面: 耐用的黑色氧化物状表面 (或铝上黑色阳极氧化) 表面发射率远高于光亮金属.
实践, “黑色”饰面比自然饰面通过辐射散发更多热量 (反光的) 铝表面.
重要说明: 黑色饰面和 FIR 涂层 不提高体积导热率, 但他们 增加有效散热 通过改善辐射来改善零件的 (有时通过表面纹理进行对流耦合).
“黑色氧化物比自然颜色导热更好”的说法仅在以下意义上是正确的： 净散热量 从表面看 — 并不是材料的 k 增加.
6. 实用路线图 & 优先干预措施
使用分阶段的方法，首先瞄准最大的收益:
- 合金选择: 选择合金含量最少的, 满足强度/腐蚀需求的最高电导率合金.
- 融化练习: 实施脱气, 助焊剂盖, 过滤和严格的温度控制，以最大限度地减少孔隙和夹杂物.
- 选角路线: 更喜欢产生低孔隙率的工艺 (永久模具, 挤压铸造, 投资铸造 带真空) 用于热关键部件.
- 铸造后致密化: 将 HIP 用于关键应用.
- 热处理: 退火或设计时效处理，尽可能将溶质从溶液中沉淀出来.
- 成型: 应用挤压/锻造/轧制来封闭残余孔隙并使微观结构均匀化.
- 表面和连接实践: 避免主要热路径上的焊接区和热色调; 如果需要焊接, 在可行的情况下计划局部治疗以恢复导电性.
7. 结论性建议
提高铝合金导热性是一项结合合金设计的多学科任务, 熔融冶金, 热处理和成型.
开始于 材料选择——然后才优化 过程控制 (脱气, 过滤, 铸造方法), 其次是 热处理和机械加工 关闭缺陷并调整微观结构.
电导率至关重要的场合, 量化目标, 需要电气/热测试, 并接受机械强度之间的必要权衡, 成本和制造性.
常见问题解答
黑色氧化物会增加铝的整体导热系数吗?
不会——它会提高表面发射率，从而提高辐射散热. 合金的体积 k 不会因薄表面光洁度而改变.
涂层总是比抛光好吗?
抛光可减少对流阻力并降低发射率 (辐射更糟). 对于整体散热器性能, 高 ε 黑色涂层通常优于抛光金属，除非辐射可忽略不计且对流占主导地位.
FIR涂层什么时候最有效?
表面温度为中等到高的地方, 对流有限的地方 (低气流), 在真空或低压环境中, 或者即使在气流下也能降低组件的稳态温度.
参考
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- 美国铸造协会. (2018). 铝铸造手册. 美国金融服务出版社.
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- 戴维斯, j. r. (2019). 铝及铝合金: 特征, 特性, 和申请. ASM国际.
- Wang Hui. 高导热铝合金的开发与研究进展 [j]. 铸造厂, 2019, 68(10):1104
