كيفية ضمان الموصلية الحرارية لمواد الطباعة المعدنية؟

一 ، نظام المواد: يتم تحديد الحد الأعلى للتوصيل الحراري من خلال الصفات الجوهرية
يحدد التركيب الذري وخصائص الحركة الإلكترونية للمواد المعدنية الموصلية الحرارية. Silver (AG) والنحاس (CU) هما أكثر المعادن النقية الموصلة حرارياً ، في حين اكتسبت الألومنيوم (AL) شعبية في قطاع الطيران بسبب طبيعتها الخفيفة. ظهرت سبائكها كاستراتيجية حاسمة لتعزيز الأداء العام لأنه من الصعب على المعدن الواحد تلبية مطالب الظروف التشغيلية المعقدة.
1. السبائك القائمة على النحاس: تحقيق توازن بين القوة والتوصيل الجيد للحرارة
إن إضافة تعزيز طور Laves CR2NB إلى GRCOP-42 التي تم تطويرها NASA (CU-4CR-2NB) و GRCOP-84 (CU-8CR-4NB) تزيد من قوته الشد إلى أكثر من 400MPa مع الحفاظ على توصيل النحاس النقي. بالمقارنة مع سبائك النحاس التقليدية ، تشير البيانات التجريبية إلى أن GRCOP-42 المنتجة باستخدام عملية ذوبان سرير مسحوق الليزر (L-PBF) لها زيادة بنسبة 15 ٪ في الموصلية الحرارية ويمكن أن تحافظ على الموصلية الحرارية المستقرة في درجات الحرارة بين 500 و 800 درجة. الفوائد الرئيسية لهذه المادة ، التي تم استخدامها على نطاق واسع في غرفة احتراق التبريد المتجددة للمحركات الصاروخية ، هي:
السيطرة على البنية المجهرية: يقلل معدل التبريد العالي لعملية L -PBF (10 ⁴ -10 ⁶ k/s) من انتشار حركة الإلكترون عن طريق تحسين حجم مرحلة CR2NB إلى مستوى النانو.
توحيد التكوين: من خلال منع اختلافات الموصلية الحرارية الناتجة عن الفصل المحلي ، تضمن تكنولوجيا مسحوق ذرية الغاز التوزيع الموحد لعناصر CR و NB في مصفوفة النحاس.
2. كل ما يعتمد على الألومنيوم: مزيج من الموصلية الحرارية والوزن الخفيف
سبيكة الألمنيوم الأكثر استخدامًا في الطباعة ثلاثية الأبعاد هي ALSI10MG ، والتي لديها موصلية حرارة تبلغ حوالي 120 واط/(م · ك). ميزة الكثافة التي تبلغ 2.7 جم/سم مكعب تجعلها مادة مثالية لمحامات حزمة بطارية مركبات الطاقة الجديدة وأنظمة الإدارة الحرارية الأقمار الصناعية. يمكن استخدام الاستراتيجيات التالية لزيادة الموصلية الحرارية لمكونات ALSI10MG المصنعة باستخدام عملية ذوبان الليزر الانتقائي (SLM):
التحكم في حجم جسيمات المسحوق: يمكن أن يؤدي استخدام مسحوق ناعم من 15 إلى 45 ميكرون إلى زيادة توصيل الحرارة بنسبة 10 ٪ ، ويقلل المسامية ، وتحسين سيولة تجمع المليئة ؛
إجراء المعالجة الحرارية: يمكن ترسيب طور SI النانوي عن طريق محلول T6 الصلب بالإضافة إلى علاج الشيخوخة ، وتحسين الصلابة واستقرار الموصلية الحرارية في نطاق 115-125W/(M · K).
2 ، معلمات العملية: التحكم في الموصلية الحرارية عن طريق البنية المجهرية
بالإضافة إلى المادة نفسها ، يؤثر عمق معلمات العملية أيضًا على توصيل الحرارة للطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد. عن طريق تغيير شكل تجمع الذوبان ، ومعدل التبريد ، وتوزيع الإجهاد المتبقي ، فإن المتغيرات مثل طاقة الليزر ، وسرعة المسح ، وسمك الطبقة ، على سبيل المثال ، تؤثر بشكل مباشر على الموصلية الحرارية للمكون في عملية L-PBF.
1. تحسين معلمات الليزر: استقرار تجمع الذوبان ومسار الموصلية الحرارية متوازنة.
اكتشف علماء ناسا عند طباعة سبيكة النحاس GRCOP-42 التي:
قوة الليزر: ينمو عرض حمام السباحة المنصهر بنسبة 20 ٪ عندما يتم رفع الطاقة من 200W إلى 300W. من ناحية أخرى ، إذا تم تطبيق الكثير من الطاقة ، فقد تتبخر عناصر النحاس ، مما يخلق micropores وخفض الموصلية الحرارية بنسبة 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 μ م) ، والتي يمكن أن تعيق مرور الحرارة بين الطبقات.
2. الطباعة المتعددة: إدارة دقيقة للتوصيل الحراري في التفاعل
واحدة من الاختناقات الرئيسية عند طباعة مكونات المواد المزدوجة النحاس الصلب هي الموصلية الحرارية في الواجهة. تكشف الدراسات أن:
تصميم معلمة الواجهة: يمكن زيادة الانتشار الحراري في واجهة الفولاذ بنسبة 50 ٪ عن طريق تغيير كثافة طاقة الليزر من 50J/mm³ إلى 80J/mm³. المعالجة الحرارية للشيخوخة: يمكن لعلاج الشيخوخة في 520 درجة لمدة ساعة أن يزيل أي إجهاد متبقي في الواجهة ويزيد من الانتشار الحراري بنسبة 30 ٪ ، مما يجعله أقرب إلى 80 ٪ من مواد النحاس النقي.
3 ، التصميم الهيكلي: يؤدي تحسين الطوبولوجيا إلى إطلاق إمكانية التوصيل الحراري
الفائدة الرئيسية للطباعة ثلاثية الأبعاد هي قدرتها على إنشاء هياكل معقدة يستحيل إنتاجها باستخدام الطرق التقليدية. يمكن زيادة كفاءة الموصلية الحرارية المكونة إلى حد كبير باستخدام أساليب التصميم الحيوي والطوبولوجيا.
1. بنية الشبكة المحاكاة الحيوية: زيادة كفاءة تبديد الحرارة ومساحة سطح محددة
يمكن زيادة مساحة تبديد الحرارة في أحواض الحرارة LED بنسبة 300 ٪ عن طريق استخدام بنية شبكة أوكتاهدرا ، ويمكن تقليل المقاومة الحرارية بنسبة 40 ٪ عن طريق تحسين قطر قضيب الشبكة (من 0.5 ملم إلى 0.3 ملم). وفقًا للبيانات التجريبية ، قد تتلاشى الشبكة الحرارية المطبوعة من ALSI10MG بعمر LED عند قوة 10 واط وخفض درجة حرارة الوصلات من 120 درجة إلى 85 درجة.
2. قناة تبريد عشوائية: تحقيق توصيل تدفق الحرارة الموجهة
يمكن تصميم قناة مياه التبريد المطابقة بقطر 0.8 مم باستخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد في تصنيع قالب الحقن ، مما يحسن توحيد درجة حرارة العفن بنسبة 50 ٪ وتقليل وقت التبريد بنسبة 40 ٪. باستخدام قالب مصد السيارات على سبيل المثال ، يمكن قطع وقت الدورة من 60 ثانية إلى 35 ثانية ، ويمكن انخفاض تكلفة الإنتاج لكل قطعة بمقدار 0.8 يوان من خلال تحسين ترتيب قناة التبريد.
4 ، بعد المعالجة: إزالة العيوب وأطلق الموصلية الحرارية المحتملة
تتأثر الموصلية الحرارية للمكونات المطبوعة ثلاثية الأبعاد إلى حد كبير بمساميتها الداخلية وخشونة السطح. باستخدام سبيكة النحاس GRCOP-42 كتوضيح:
العلاج بالضغط المتساوي الساخن (الورك): يمكن تقليل المسامية من 0.5 ٪ إلى 0.02 ٪ وزاد الموصلية الحرارية بنسبة 8 ٪ بعد ساعتين من العلاج عند 120 ميجا باسكال و 500 درجة. التلميع الكيميائي: انخفضت خشونة السطح من RA10 ميكرون إلى RA0.8 ميكرون وانخفضت المقاومة الحرارية التلامس بنسبة 60 ٪ بعد التلميع مع محلول مختلط حمض الهيدروفلوريك حمض النيتريك.