Как да гарантираме термичната проводимост на металните печатници?

一, Материална система: Горната граница на топлинната проводимост се определя чрез присъщи качества
Атомната структура и електронните свойства на движението на металните материали определят тяхната топлопроводимост. Среброто (AG) и медта (Cu) са двата най -термично проводими чисти метала, докато алуминият (Al) е придобил популярност в аерокосмическия сектор поради леката си природа. Сплаването се превърна в решаваща стратегия за повишаване на цялостната ефективност, тъй като е предизвикателство за един метал да задоволи изискванията на сложни оперативни обстоятелства.
1. Сплави на базата на мед: постигане на баланс между здравина и добра топлинна проводимост
Добавянето на фазово подсилване на CR2NB Laves към НАСА - разработи Grcop - 42 (Cu-4Cr-2Nb) и Grcop-84 (Cu-8Cr-4NB) медни сплави, увеличава тяхната сила на плътността до повече от 400MPA, като същевременно запазва термичната техния копър. В сравнение с конвенционалните медни сплави, експерименталните данни показват, че GRCOP-42, произведен с помощта на процеса на топене на лазерно прахово легло (L-PBF), има 15% увеличение на топлинната проводимост и може да поддържа стабилна топлопроводимост при температури между 500 и 800 градуса. Основните предимства на този материал, който се използва широко в регенеративната камера за горене на ракетни двигатели, са::
Контрол на микроструктурата: Високата скорост на охлаждане на L - PBF (10 ⁴ -10 ⁶ k/s) намалява разсейването на движението на електроните чрез усъвършенстване на размера на фазата на CR2NB до нивото на наноразмер;
Еднообразие на състава: Чрез предотвратяване на вариациите на термичната проводимост, породени от локалната сегрегация, технологията на праховия атомизация на газовата атомизация гарантира равномерното разпределение на CR и NB елементи в медната матрица.
2. Алуисти на базата на алуминий: Комбинацията от термична проводимост и лека тежка категория
Най -широко използваната алуминиева сплав в 3D печат е ALSI10MG, който има топлинна проводимост приблизително 120W/(M · K). Предимството му за плътност от 2.7g/cm³ го прави перфектен материал за нови енергийни радиатори на батерията на превозното средство и сателитни термични системи за управление. Следните стратегии могат да се използват за максимална топлинна проводимост на компоненти ALSI10MG, произведени с помощта на селективния процес на топене на лазер (SLM):
Контрол на размера на праховите частици: Използването на фин прах от 15–45 μm може да увеличи топлинната проводимост с 10%, да намали порьозността и да подобри плавността на стопилката;
Процедура за топлинна обработка: Наноразмерната Si фаза може да бъде утаена чрез Т6 твърд разтвор плюс лечение на стареене, подобряване на твърдостта и стабилизиране на топлинната проводимост в диапазона 115–125W/(M · K).
2, параметри на процеса: контрол на топлинната проводимост чрез микроструктура
В допълнение към самия материал, дълбочината на параметрите на процеса също влияе върху топлинната проводимост на металния 3D печат. Чрез промяна на формата на басейна, скорост на охлаждане и разпределение на остатъчното напрежение, променливи като лазерна мощност, скорост на сканиране и дебелина на слоя, например, влияят директно на топлинната проводимост на компонента в L - PBF процеса.
1. Оптимизация на лазерните параметри: стабилността на баланса на стопилката и пътя на термичната проводимост са балансирани.
Учените от НАСА, открити при отпечатване на медна сплав GRCOP-42, че:
Мощност на лазер: Ширината на разтопения басейн нараства с 20%, когато мощността се повиши от 200W до 300W. От друга страна, ако се прилага твърде много енергия, медните елементи могат да се изпарят, създават микропори и понижаване на топлинната проводимост с 8%;
Scanning speed: increasing the speed from 800 mm/s to 1200 mm/s results in a 15% increase in interlayer bonding strength, a refinement of the Cr2Nb phase size to less than 50 nm, and a 12% increase in thermal conductivity. The cooling rate also increases from 10 ⁵ K/s to 10 ⁶ K/s. A 20% reduction in equivalent thermal conductivity can occur from overly thick layer thicknesses (>100 μm), което може да попречи на топлинното преминаване между слоевете.
2. Мултиматериален печат: Точно управление на топлинната проводимост при взаимодействието
Едно от основните тесни места при отпечатване на компоненти на двоен материал от мед на стомана е топлинната проводимост на интерфейса. Проучванията разкриват, че:
Дизайн на параметрите на интерфейса: Топлинната дифузивност в стоманата - меден интерфейс може да се увеличи с 50% чрез промяна на лазерната енергийна плътност от 50J/mm³ до 80J/mm³. Старееща топлинна обработка: Лечението за стареене на 520 градуса за един час може да премахне всяко останало напрежение в интерфейса и допълнително да увеличи топлинната дифузивност с 30%, като я доближи до 80% от чистите медни материали.
3, Структурен дизайн: Оптимизирането на топологията освобождава потенциала за термична проводимост
Основното предимство на 3D печат е способността му да създава сложни структури, които е невъзможно да се произвеждат, използвайки конвенционални методи. Ефективността на топлинната проводимост на компонентите може да бъде значително увеличена чрез използване на методи за биомиметичен дизайн и оптимизация на топологията.
1. Биомиметична структура на решетката: увеличаване на ефективността на разсейване на топлина и специфична повърхностна площ
Площта на разсейване на топлината на светодиодните радиатори може да се увеличи с 300% чрез използване на октаедрична решетка структура и топлинното съпротивление може да бъде намалено с 40% чрез оптимизиране на диаметъра на решетката (от 0,5 мм до 0,3 мм). Според експериментални данни, отпечатан решетъчен радиатор Alsi10mg- може да утрои живота на LED при мощност 10W и да понижи температурата на кръстовището си от 120 градуса до 85 градуса.
2. Случаен канал за охлаждане: Постигане на насочен проводимост на топлинния поток
Конформален воден канал с диаметър 0,8 мм може да бъде проектиран с помощта на 3D технология за печат при производството на инжекционни форми, подобряване на равномерността на температурата на плесен с 50% и намаляване на времето за охлаждане с 40%. Използвайки формата на автомобилната броня като пример, времето за цикъл може да бъде намалено от 60 секунди до 35 секунди, а цената на производството на парче може да бъде намалена с 0,8 юана чрез оптимизиране на подреждането на охлаждащия канал.
4, Post - Обработка: Отстранете недостатъците и освободете потенциалната термична проводимост
Топлинната проводимост на 3D отпечатаните компоненти се влияе значително от тяхната вътрешна порьозност и грапавост на повърхността. Използване на медната сплав GRCOP-42 като илюстрация:
Лечение с горещо изостатично натискане (HIP): Порьозността може да бъде намалена от 0,5% на 0,02%, а топлинната проводимост се увеличава с 8% след два часа лечение при 120 MPa и 500 градуса. Химическо полиране: Грапавостта на повърхността намалява от RA10 μm до RA0,8 μm, а контактната топлинна устойчивост намалява с 60% след полиране със смесен разтвор на хидрофлуороводородна киселина с азотна киселина.