CN111496257A - 一种金属极小曲面梯度多孔散热元件及其增材制造方法 - Google Patents

一种金属极小曲面梯度多孔散热元件及其增材制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于多孔结构增材制造领域，并具体公开了一种金属极小曲面梯度多孔散热元件及其增材制造方法，包括如下步骤：S1根据多孔结构特性，确定其初始参数；根据初始参数得到多孔结构空间内部各点的体积分数和孔隙大小，获得各点处空间函数，根据空间函数进行数学建模，结合Swartz Diamond极小曲面隐函数，拟合得到多孔结构三维模型；S2根据多孔结构三维模型，采用金属粉末通过增材制造得到多孔结构；对多孔结构进行原位热处理、分离、表面喷砂，得到金属极小曲面梯度多孔散热元件。本发明克服了传统多孔结构热力学性能单一难以变化的缺点，制造出的轻量化金属梯度多孔结构具有良好的散热性、优异的力学性能、较强的可设计性。

Description

一种金属极小曲面梯度多孔散热元件及其增材制造方法
技术领域
本发明属于多孔结构增材制造领域，更具体地，涉及一种金属极小曲面梯度多孔散热元件及其增材制造方法。
背景技术
金属多孔结构材料由于具有质量轻、比强度高、抗冲击能力强、能量吸收率高等优异的综合性能，在航空航天、交通运输、汽车船舶等领域有很大应用前景。除了有较好的机械承载性能，具有高导热系数的金属多孔结构本身也是优良的热交换器，通透性的开孔设计和较大孔隙率可增加其散热面积，有利于孔穴内部强制对流换热。因此金属多孔结构可实现承载-散热的有机结合，应用于飞机器、高功率电子器件、航空精密仪器零件等的散热冷却。
目前研究的金属多孔结构多为均匀点阵结构，传统的点阵结构大多由直杆组成，由于在杆间结点位置存在急转容易产生应力集中从而导致失效。另外，在增材制造过程中，传统点阵结构中的直杆由于缺乏支撑很容易坍塌而使成形失败。同时，随着各轻量化设计领域对提高产品综合散热性能以及特定化场景应用的要求逐步提升，具有单一的机械性能且易失效的周期性均匀点阵多孔结构已逐渐无法满足复杂场景中的高性能散热构件的需求。
Swartz Diamond梯度多孔结构是一种三周期极小曲面(TPMS)结构，其各点平均曲率为零，孔与孔之间相互贯通，由于具有光滑的表面和均匀的曲率半径等特征，在承载时该结构应力分布均匀，具有更突出的机械承载性能。同时，这种特殊的曲面结构各层之间可以相互支撑，在增材制造过程中无需添加支撑就可以完整打印出该结构，具有良好的打印性。与传统均匀点阵多孔结构相比，这种特殊的梯度曲面结构具有更大的比表面积，更能增强其散热效率和强制对流热交换能力，可实现优良的换热性能和在特定区域承受不同机械应力的性能相结合。通过计算机辅助设计，该多孔结构参数可调控，比表面积及体积分数等可随空间位置发生变化，更适用于特定力学场景和复杂环境中散热-承载性能需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种金属极小曲面梯度多孔散热元件及其增材制造方法，其目的在于，采用Swartz Diamond极小曲面结构，克服了传统均匀多孔结构力学性能单一难以变化的缺点，制造出的轻量化金属梯度多孔结构具有良好的散热性、优异的力学性能、较强的可设计性等优点，可作为一种散热元件应用于飞行器、汽车等复杂力学场景的热交换系统中，具有较强的工业化应用前景。
为实现上述目的，按照本发明的一方面，提出了一种金属极小曲面梯度多孔散热元件的增材制造方法，包括如下步骤：
S1根据待成形多孔结构的特性，确定其初始参数；根据初始参数得到多孔结构空间内部各点的体积分数和孔隙大小，进而获得各点处空间函数，根据空间函数进行数学建模，进而结合Swartz Diamond极小曲面隐函数，拟合得到极小曲面连续梯度多孔结构三维模型；
S2根据极小曲面连续梯度多孔结构三维模型，采用金属粉末通过增材制造得到多孔结构；对多孔结构依次进行原位热处理、分离、表面喷砂，得到金属极小曲面梯度多孔散热元件。
作为进一步优选的，所述初始参数包括空间边界、尺寸、体积分数和比表面积。
作为进一步优选的，所述初始参数的确定方式具体为：根据散热元件的预留位置，确定多孔结构的空间边界及尺寸；根据散热元件所针对的热源器件的功率及实际工况确定散热通量，根据散热通量通过仿真计算求得多孔结构的比表面积；根据轻量化和力学性能需求，确定多孔结构的体积分数。
作为进一步优选的，所述S1中，根据初始参数通过三维建模算法得到多孔结构空间内部各点的体积分数和孔隙大小，所述三维建模算法采用平滑算法。
作为进一步优选的，所述S2中，采用的增材制造方法为激光选区熔化或电子束熔融。
作为进一步优选的，所述金属粉末为铝合金、镁合金或铜合金粉末。
作为进一步优选的，所述铝合金为AlSi10Mg、AlSi7Mg或Al-Si12，所述镁合金为ZK61或AZ91D，所述铜合金为ZCuAl11Fe3、ZCuAl19Fe4Ni4Mn2或ZCuAl10Fe3Mn2。
作为进一步优选的，所述S2中，对多孔结构依次进行原位热处理具体为：若为铝合金粉末成形的多孔结构，其退火温度为400℃～440℃，退火时间为3～4小时；若为镁合金粉末成形的多孔结构，其退火温度为150℃～260℃，退火时间为0.5～1.5小时；若为铜合金粉末成形的多孔结构，其退火温度为300℃～360℃，退火时间为1.5～2小时。
作为进一步优选的，所述金属粉末平均粒径为15μm～60μm，其颗粒形状为球形或近球形。
按照本发明的另一方面，提供了一种采用上述增材制造方法得到的金属极小曲面梯度多孔散热元件。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明采用Swartz Diamond极小曲面结构，该结构可实现各点处均匀过渡，承载时应力分布均匀，具有更优异的力学性能，结构的相互支撑性使其具有良好的打印性，解决了传统的金属均匀点阵多孔结构容易在连接处产生应力集中失效同时结构成形困难的问题。
2.本发明设计的金属梯度多孔结构杆直径和体积分数等参数可调，可根据不同环境设计调控其承载机械应力的能力，应用范围广，克服了传统均匀多孔结构力学性能单一难以变化的缺点。
3.本发明设计的金属梯度多孔结构具有更大的比表面积，较大的散热面积更能增强其散热效率，特殊的曲面结构能提升其强制对流热交换能力，在飞行器、汽车等特定场景和复杂环境的热交换系统中，可作为一种散热元件使用，具有较为广阔的应用前景。
4.本发明对增材制造时的金属粉末种类、平均粒径以及工艺参数进行了设置，以得到表面光洁、性能良好的金属极小曲面梯度多孔散热元件。
附图说明
图1为本发明实施例金属极小曲面梯度多孔散热元件的增材制造流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提供的一种金属极小曲面梯度多孔散热元件的增材制造方法，如图1所示，包括如下步骤：
S1根据实际应用中所需多孔结构的特性，确定其初始参数，该初始参数包括空间边界、尺寸、体积分数和比表面积，优化设计出极小曲面梯度多孔结构，以保证该多孔结构拥有较大的比表面积和适当的体积分数以满足散热元件的传热需求；
具体的，所述初始参数的确定方式具体为：根据散热元件的预留位置，确定多孔结构的空间边界及尺寸，如为长方体时需要长、宽、高三个参数，若为异形则需要更多的参数；分析散热元件所针对的热源器件的功率及实际工况，根据其在增加散热器前后工作温度范围变化获得散热通量，根据散热通量通过仿真计算求得多孔结构的比表面积；根据轻量化和力学性能需求，确定多孔结构整体的体积分数。
S2根据初始参数得到多孔结构空间内部各点的体积分数t和孔隙大小a，进而获得各点处空间函数；具体的，根据多孔结构空间边界和尺寸确定三维空间区域大小，同时建立空间函数ｆ(x,y,z,a,t)＝0，由边界处体积分数和比表面积生成边界处各点的坐标(x,y,z,a,t)，利用三维建模算法(优选采用平滑算法)，由边界处各点的a，t特征值得到空间内部各点的a，t特征值，进而获得三维空间各点处f(x,y,z,a,t)；根据各点处f(x,y,z,a,t)进行数学建模，结合Swartz Diamond极小曲面隐函数，拟合得到极小曲面连续梯度多孔结构三维模型；Swartz Diamond极小曲面隐函数方程为：
Figure BDA0002515791460000051
其中，x、y、z分别是空间内部各点在三维空间区域X、Y、Z方向的坐标值，t是体积分数，a是孔隙大小，孔隙大小a根据比表面积得到。
S3根据精度要求，确立三角面片最小边长，对极小曲面连续梯度多孔结构三维模型进行重划分，生成STL格式文件，并将其导入到增材制造设备中，根据切片层扫描的面信息，采用金属粉末通过激光选区熔化(SLM)或电子束熔融(EBM)，经层层堆积成形得到多孔结构，待多孔结构冷却后，清除多孔结构表面的浮粉。
优选的，所述金属粉末平均粒径为15μm～60μm，其颗粒形状为球形或近球形。所述金属粉末为铝合金、镁合金或铜合金粉末；所述铝合金为AlSi10Mg、AlSi7Mg或Al-Si12，所述镁合金为ZK61或AZ91D，所述铜合金为ZCuAl11Fe3、ZCuAl19Fe4Ni4Mn2或ZCuAl10Fe3Mn2。
S4对多孔结构进行退火处理消除残余热应力，然后利用线切割机将多孔结构从基板上切下，并对其进行陶瓷珠喷砂表面处理，得到金属极小曲面梯度多孔散热元件；
优选的，若为铝合金粉末成形的多孔结构，其退火温度为400℃～440℃，退火时间为3～4小时；若为镁合金粉末成形的多孔结构，其退火温度为150℃～260℃，退火时间为0.5～1.5小时；若为铜合金粉末成形的多孔结构，其退火温度为300℃～360℃，退火时间为1.5～2小时。
以下为具体实施例：
实施例1
(1)分析所需散热元件特性，根据结构中散热元件预留位置，确定多孔结构的空间边界及尺寸。分析热源器件的功率及实际工况，根据其在增加散热器前后工作温度范围变化确定散热通量。综合上述需求，通过仿真分析求得多孔结构所需的比表面积为10cm-1。
(2)根据轻量化和力学性能综合需求，获得多孔结构的体积分数为15％-25％。综合各类参数优化设计出极小曲面梯度多孔结构，以保证该结构拥有较大的比表面积和适当的体积分数。
(3)由空间边界及尺寸确定三维空间区域大小，由边界处体积分数和比表面积生成边界处各点的坐标(x,y,z,a,t)，利用三维建模平滑算法，由边界处各点的a，t特征值得到空间内部各点的a，t特征值，获得三维空间各点处空间函数，根据空间函数进行数学建模，联立解析Swartz Diamond极小曲面隐函数方程，拟合获得极小曲面连续梯度多孔结构三维模型。
(4)根据精度要求，利用增材制造前处理软件确立三角面片最小边长，对模型进行重划分，生成STL格式文件。
(5)选取粉末平均粒径在15-30μm范围内的AlSi10Mg铝合金粉末，该颗粒形状为球形或者近球形。
(6)采用激光选区熔化(SLM)技术对铝合金粉末进行增材制造成形，将STL格式的三维模型文件导入到增材制造设备中，设置激光功率为120W，扫描速度为600mm/s，扫描间距为80μm，加工层厚为40μm，激光光斑直径为100μm。在氩气的保护下根据设定参数及规划路径对铝合金粉末进行逐层打印，等到制件冷却后，清除表面的浮粉，得到铝合金梯度多孔结构。
(7)在400℃下对该多孔结构进行退火处理，退火时间为3小时，以消除多孔结构内部残余热应力。
(8)采用线切割工艺将工件从基板上分离，并进行喷砂表面处理，最终获得具有铝合金极小曲面梯度多孔结构的散热元件，可应用于复杂环境的热交换系统中。
实施例2
(1)分析所需散热元件特性，根据结构中散热元件预留位置，确定多孔结构的空间边界及尺寸。分析热源器件的功率及实际工况，根据其在增加散热器前后工作温度范围变化确定散热通量。综合上述需求，通过仿真分析求得多孔结构所需的比表面积为26cm-1。
(2)根据轻量化和力学性能综合需求，获得多孔结构体积分数为10％-20％。综合各类参数优化设计出极小曲面梯度多孔结构，以保证该结构拥有较大的比表面积和适当的体积分数。
(3)由空间边界及尺寸确定三维空间区域大小，由边界处体积分数和比表面积生成边界处各点的坐标(x,y,z,a,t)，利用三维建模平滑算法，由边界处各点的a，t特征值得到空间内部各点的a，t特征值，获得三维空间各点处空间函数，根据空间函数进行数学建模，联立解析Swartz Diamond极小曲面隐函数方程，拟合获得极小曲面连续梯度多孔结构三维模型。
(4)根据精度要求，利用增材制造前处理软件确立三角面片最小边长，对模型进行重划分，生成STL格式文件。
(5)选取粉末平均粒径在20-50μm范围内的ZK61镁合金粉末，该颗粒形状为球形或者近球形。
(6)采用激光选区熔化(SLM)技术对镁合金粉末进行增材制造成形，将STL格式的三维模型文件导入到增材制造设备中，设置激光功率为100W，扫描速度为800mm/s，扫描间距为60μm，加工层厚为30μm，激光光斑直径为90μm。在氮气的保护下根据设定参数及规划路径对镁合金粉末进行逐层打印，等到制件冷却后，清除表面的浮粉，得到镁合金梯度多孔结构。
(7)在200℃下对该多孔结构进行退火处理，退火时间为1小时，以消除多孔结构内部残余热应力。
(8)利用线切割机将工件从基板上切下，并进行喷砂表面处理，最终得到具有镁合金极小曲面梯度多孔结构的散热元件，可应用于复杂环境的热交换系统中。
实施例3
(1)分析所需散热元件特性，根据结构中散热元件预留位置，确定多孔结构的空间边界及尺寸。分析热源器件的功率及实际工况，根据其在增加散热器前后工作温度范围变化确定散热通量。综合上述需求，通过仿真分析求得多孔结构所需的比表面积为35cm-1。
(2)根据轻量化和力学性能综合需求，获得多孔结构体积分数为5％-15％。综合各类参数优化设计出极小曲面梯度多孔结构，以保证该结构拥有较大的比表面积和适当的体积分数。
(3)由空间边界及尺寸确定三维空间区域大小，由边界处体积分数和比表面积生成边界处各点的坐标(x,y,z,a,t)，利用三维建模平滑算法，由边界处各点的a，t特征值得到空间内部各点的a，t特征值，获得三维空间各点处空间函数，根据空间函数进行数学建模，联立解析Swartz Diamond极小曲面隐函数方程，拟合获得极小曲面连续梯度多孔结构三维模型。
(4)根据精度要求，确立三角面片最小边长，对模型进行划分，生成STL文件。
(5)选取粉末平均粒径在25-40μm范围内的ZCuAl11Fe3铜合金粉末，该颗粒形状为球形或者近球形。
(6)采用电子束熔融(EBM)技术对铜合金粉末进行增材制造成形，将STL格式的三维模型文件导入到增材制造设备中，设置打印电子束流为2mA，扫描速度为1000mm/s，扫描间距为100μm，加工层厚为100μm，电子束束斑直径为120μm。在真空下根据设定参数及规划路径对铜合金粉末进行逐层打印，等到制件冷却后，清除表面的浮粉，得到铜合金梯度多孔结构。
(7)在350℃下对该多孔结构进行退火处理，退火时间为2小时，以消除多孔结构内部残余热应力。
(8)采用线切割工艺将工件从基板上分离，并进行表面喷砂处理，最终得到具有铜合金极小曲面梯度多孔结构的散热元件，可应用于复杂环境的热交换系统中。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金属极小曲面梯度多孔散热元件的增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1根据待成形多孔结构的特性，确定其初始参数；根据初始参数得到多孔结构空间内部各点的体积分数和孔隙大小，进而获得各点处空间函数，根据空间函数进行数学建模，进而结合Swartz Diamond极小曲面隐函数，拟合得到极小曲面连续梯度多孔结构三维模型；
S2根据极小曲面连续梯度多孔结构三维模型，采用金属粉末通过增材制造得到多孔结构；对多孔结构依次进行原位热处理、分离、表面喷砂，得到金属极小曲面梯度多孔散热元件。
2.如权利要求1所述的金属极小曲面梯度多孔散热元件的增材制造方法，其特征在于，所述初始参数包括空间边界、尺寸、体积分数和比表面积。
3.如权利要求2所述的金属极小曲面梯度多孔散热元件的增材制造方法，其特征在于，所述初始参数的确定方式具体为：根据散热元件的预留位置，确定多孔结构的空间边界及尺寸；根据散热元件所针对的热源器件的功率及实际工况确定散热通量，根据散热通量通过仿真计算求得多孔结构的比表面积；根据轻量化和力学性能需求，确定多孔结构的体积分数。
4.如权利要求1所述的金属极小曲面梯度多孔散热元件的增材制造方法，其特征在于，所述S1中，根据初始参数通过三维建模算法得到多孔结构空间内部各点的体积分数和孔隙大小，所述三维建模算法采用平滑算法。
5.如权利要求1所述的金属极小曲面梯度多孔散热元件的增材制造方法，其特征在于，所述S2中，采用的增材制造方法为激光选区熔化或电子束熔融。
6.如权利要求1所述的金属极小曲面梯度多孔散热元件的增材制造方法，其特征在于，所述金属粉末为铝合金、镁合金或铜合金粉末。
7.如权利要求6所述的金属极小曲面梯度多孔散热元件的增材制造方法，其特征在于，所述铝合金为AlSi10Mg、AlSi7Mg或Al-Si12，所述镁合金为ZK61或AZ91D，所述铜合金为ZCuAl11Fe3、ZCuAl19Fe4Ni4Mn2或ZCuAl10Fe3Mn2。
8.如权利要求6所述的金属极小曲面梯度多孔散热元件的增材制造方法，其特征在于，所述S2中，对多孔结构依次进行原位热处理具体为：若为铝合金粉末成形的多孔结构，其退火温度为400℃～440℃，退火时间为3～4小时；若为镁合金粉末成形的多孔结构，其退火温度为150℃～260℃，退火时间为0.5～1.5小时；若为铜合金粉末成形的多孔结构，其退火温度为300℃～360℃，退火时间为1.5～2小时。
9.如权利要求1-8任一项所述的金属极小曲面梯度多孔散热元件的增材制造方法，其特征在于，所述金属粉末平均粒径为15μm～60μm，其颗粒形状为球形或近球形。
10.一种金属极小曲面梯度多孔散热元件，其特征在于，采用如权利要求1-9任一项所述的增材制造方法成形得到。
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