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高导热、高强度——用于热交换器3D打印的「双两百」铝合金问世

2022-12-06

  3D打印技术的进步改变了热交换器的制造方式。传统制造路线无法实现的复杂、自由设计,可以通过3D打印轻松实现。热交换效率的提高以及重量、体积、制造成本的降低是3D打印可以提供的其他优势。然而,材料是热交换器3D打印需要考虑的另一个关键问题。
  近日,3D打印技术参考注意到,国内领先的铝合金3D打印材料制造商江西宝航新材料有限公司,向市场发布了一款高导热铝合金3D打印材料。该产品被命名为HC 200,以显示其不低于200W/(m·K)的超高导热能力。
  金属导热原理、材料及3D打印固有缺陷
  金属导热的本质是金属内部拥有可自由移动的电子。当金属的一部分接收到热量时,受热部分的自由电子能量增加,运动加剧,不断跟金属离子碰撞而交换能量,从而把热量从一部分传递到另一部分。金属要获得更高的导热能力,必然要求电子在金属内部是“畅通无阻”,亦即金属材料内部的缺陷要足够少,以及受到杂质或其他相的阻碍要少。这就对材料的成分控制、制备工艺提出了非常高的要求。
  在铝合金材料中,拥有高导热系数(尤其是高于200)的牌号非常有限,最常用的是6063铝合金。6063是一种AlMg系变形铝合金,主要合金元素包含:Al、Mg、Cr、Cu、Si等。其导热系数高于200 W/(m·K),一般为210,经T6热处理后具有不低于160MPa的屈服强度和8%的延伸率。且6063可塑性较好,能够进行阳极氧化,因此是各型散热器的首要选择材料。而在其他现有牌号的铝合金材料中,导热系数没有高于200的。纯铝由于不含有其他合金元素,导热系数达到230W/(m·K)。


  易加三维为方程式赛车队3D打印的热交换器
  尽管6063铝合金是一种非常好的材料,但其并不能直接用于金属3D打印。该合金是一种变形系铝合金,适用于铸造工艺过程,并不适用于高冷却速率的SLM选区激光熔化3D打印过程。最终的结果是,采用SLM工艺对6063合金粉末进行打印时,会产生大大小小的微裂纹,材料无法使用。目前亦有一些研究人员通过对6063合金进行成分改性或添加纳米相,试图使之可打印,也取得了一些成果,但并未得到商用。
  目前市场上应用非常广泛的AlSi10Mg材料,尽管其导热系数亦达到了不低的140W/(m·K),但对于有更高导热能力要求的应用场合,AlSi10Mg则无能为力。
  高性能散热3D打印铝合金获得突破
  为了开发高导热高性能的可打印铝合金3D打印材料,宝航团队历时一年多自主研发,终于成功实现了双两百(热导率超过200 W/(m·K)且抗拉强度高于200MPa)的HC 200高导热铝的材料开发。下表是HC200与6063和AlSi10Mg的材料性能对比:

 


  凭借超高的性能,该材料适用于对散热能力有较高要求的轻质复杂结构件或功能件,特别适用于新型散热器(尤其是微通道散热器)的设计和开发。凭借创新的材料解决方案,再加上金属3D打印的技术优势,宝航希望能为新型散热器的产品开发贡献力量。
  出于专利的考虑,宝航此次推出的HC 200并不向客户直接提供粉末材料。宝航将基于客户需求提供高导热铝的打印服务,宝航期待与对可打印高导热铝解决方案感兴趣的客户合作,包括但不限于:高校、研究院所、企业以及新型散热器的设计者、开发者等。

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