CN112872359A - 一种激光表面熔覆的金属热管材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光表面熔覆的金属热管材料及其制备方法,制备的金属热管材料为双层结构热管材料,内层为多孔结构吸液芯,厚度为0.2‑2mm;外层为利用激光表面熔覆技术制备的致密壳体,厚度为0.5‑5mm,吸液芯孔隙结构为三维网状分布的连通结构,孔径在10‑200微米之间,孔隙率在20‑80%之间。本发明方法先制备多孔结构吸液芯,然后再利用激光表面熔覆技术在多孔材料表面制备出致密的熔覆层管壳。其制备流程简单,易于规模化生产,降低了生产成本,且制备得到的吸液芯质量优异,热管管壳和吸液芯之间结合良好,两者之间无明显裂纹、夹杂等缺陷,有利于提高热管传热性能和工作寿命,在航空航天、能源、电子等领域具有广阔的应用前景。

Description

一种激光表面熔覆的金属热管材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及热管材料领域,尤其涉及一种激光表面熔覆的金属热管材料及其制备方法。
背景技术
热管是迄今为止传热效率最高的系统之一。与传统的传热方式相比,热管的优势在于使大量的热流通过具有较小界面和较长尺寸的管道,而不需要额外输入能量;此外,热管还具有制备简便、两端温差小和易于控制热流速率等优点。因此,热管在航空航天、热交换、电子工业等领域有着广泛的应用前景。
热管主要由管壳、吸液芯和工作介质三部分构成。其工作原理如下:外部热源通过管壳和吸液芯的热传导使蒸发区的工作介质汽化,气体顺着压力梯度到达冷凝区;由于冷凝区温度较低,气体在此液化凝结并释放汽化潜热;吸液芯通过毛细作用将冷凝后的液体回流到蒸发区,从而保证介质在热管内循环工作。因此,吸液芯质量的优劣直接影响热管的工作效率。目前,常用的吸液芯主要有沟槽型、丝网型和烧结金属型三种。沟槽型和丝网型吸液芯虽然制备方法简单,但孔道结构单一,孔径尺寸较大,毛细性能仍有待提高;而烧结金属吸液芯由于具有复杂的孔道结构和细小的孔径,综合性能较好,在热管中应用较为广泛。
目前,热管用烧结金属吸液芯主要是通过高温烧结的方式将松散的粉末烧结到热管内壁上。由于在烧结过程中粉末和管壁之间没有辅助压力的作用,导致吸液芯与管壁结合较弱,两者之间容易产生间隙,从而造成吸液芯脱落,降低热管工作效率,甚至导致热管失效。此外,现有热管材料制备方法通常都是先制备加工出管壳,然后在管壳内壁上制备出吸液芯。此方法由于管内空间较为狭窄,为吸液芯的制备带来极大困难和不便,增加了热管材料制备工艺流程和生产成本。因此,开发工艺简单、成本低廉的热管材料制备方法,并提高热管材料传热效率和工作寿命,对于热管的大规模推广和应用尤为关键。
激光熔覆是通过同步或预置材料的方式,利用激光辐照在材料表面形成熔池,并快速凝固形成包覆层的工艺方法,其具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多等特点,其在材料表面改性及产品表面修复等方面展现出重要的应用价值。但目前为止,利用激光表面熔覆技术制备金属热管材料的研究和应用尚未见报道。
因此,本领域的技术人员致力于开发一种激光表面熔覆的金属热管材料及其制备方法。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷,本发明所要解决的技术问题是提高热管材料传热效率和工作寿命,提供一种开发工艺简单、生产成本低廉的激光表面熔覆的金属热管材料的制备方法。
为实现上述目的,本发明提供了一种激光表面熔覆的金属热管材料,所述金属热管材料为双层结构热管材料,内层为多孔结构吸液芯,厚度为0.2-2mm;外层为利用激光表面熔覆技术制备的致密壳体,厚度为0.5-5mm;所述吸液芯的孔隙结构为三维网状分布的连通结构,孔径为10-200微米,孔隙率为20-80%。
进一步地,所述金属热管管材为直线型,长度为10-200厘米,所述金属热管管材横截面为圆形或方形,直径为5-100毫米。
进一步地,内层吸液芯材料与外层熔覆层材料相同,为高温合金、不锈钢、铜、镍、或钛合金中的一种。
进一步地,本发明还提供了一种激光表面熔覆的金属热管材料的制备方法,包括以下步骤:
步骤1.将具有特定形貌和尺寸的金属粉末装入预先准备好的模具中;
步骤2.将装有粉末的模具放在机械振料装置上振动5分钟,使粉末完全填充模腔内空隙;
步骤3.将步骤2中得到的装有粉末的模具放入烧结炉中进行烧结得到吸液芯材料;
步骤4.将烧结后的样品从模具中取出,超声清洗10分钟后放入烘箱干燥;
步骤5.在清洗干燥后的样品表面进行激光表面熔覆,熔覆层材料与吸液芯材料相同。
进一步地,所述步骤1中所述金属粉末为高温合金、不锈钢、铜、镍、或钛合金中的一种。
进一步地,所述步骤1中的金属粉末形貌为球形,尺寸为15-200微米。
进一步地,所述步骤3中烧结炉为真空烧结炉或气氛烧结炉中的一种。
进一步地,所述步骤3中烧结工艺为粉末松装烧结。
进一步地,所述步骤3中烧结温度为700-1400℃,保温时间为0.5-5小时。
进一步地,所述步骤5中激光加热功率为0.1-10千瓦,激光束斑尺寸为1-10毫米,激光光源移动速率为1-50毫米/秒。
本发明的技术效果:
(1)本发明中利用激光表面熔覆技术制备的金属热管材料,外层为致密壳体,厚度为0.5-5mm;内层为多孔结构吸液芯,厚度为0.2-2mm。吸液芯孔隙结构为三维网状分布的连通结构,孔径为10-200微米,孔隙率为20-80%;壳体和吸液芯结合紧密,且两者之间无明显裂纹、夹杂等缺陷。
(2)区别于传统热管材料先制备管壳再制备吸液芯的工艺步骤,本发明方法创造性地将粉末冶金和激光熔覆工艺相结合,提出了新的热管材料制备方法。通过先制备多孔结构吸液芯,然后再利用激光表面熔覆技术在多孔材料表面制备出致密的熔覆层管壳,简化了热管材料的制备流程,降低了生产成本,且制备得到的吸液芯质量优异,同时实现了吸液芯和管壳之间良好的界面结合,提高了热管材料传热效率和工作寿命。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明,以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的金属热管材料的制备工艺示意图;
图2是本发明的一个较佳实施例制备的金属热管材料横截面的低倍扫描电镜照片;
图3是是本发明的一个较佳实施例制备的金属热管材料横截面的高倍扫描电镜照片。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例,使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现,本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中,结构相同的部件以相同数字标号表示,各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的,本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰,附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
一种激光表面熔覆的金属热管材料的制备方法,图1为其制备流程示意图。
实施例1
一种激光表面熔覆的金属热管材料的制备方法,包括以下步骤:
步骤1.称取200g的K418高温合金球形粉末装入预先准备好的模具中,粉末尺寸为15-200微米;
步骤2.将装有粉末的模具放在机械振料装置上振动5分钟,使粉末完全填充模腔内空隙;
步骤3.将步骤2中得到的装有粉末的模具放入真空炉中进行烧结得到吸液芯材料,烧结温度为1250℃,保温时间为1小时,真空度为1Pa;
步骤4.将烧结后的样品从模具中取出,超声清洗10分钟后放入烘箱干燥;
步骤5.在清洗干燥后的样品表面进行激光表面熔覆,熔覆层材料与吸液芯材料相同,激光加热功率为1千瓦,激光束斑尺寸为5毫米,激光光源移动速率为5毫米/秒。
实施例2
一种激光表面熔覆的金属热管材料的制备方法,包括以下步骤:
步骤1.称取200g的球形铜金属粉末装入预先准备好的模具中,粉末尺寸为15-200微米;
步骤2.将装有粉末的模具放在机械振料装置上振动5分钟,使粉末完全填充模腔内空隙;
步骤3.将步骤2中得到的装有粉末的模具放入气氛炉中进行烧结得到吸液芯材料,烧结温度为700℃,保温时间为5小时;
步骤4.将烧结后的样品从模具中取出,超声清洗10分钟后放入烘箱干燥;
步骤5.在清洗干燥后的样品表面进行激光表面熔覆,熔覆层材料与吸液芯材料相同,激光加热功率为7千瓦,激光束斑尺寸为6毫米,激光光源移动速率为10毫米/秒。
实施例3
一种激光表面熔覆的金属热管材料的制备方法,包括以下步骤:
步骤1.称取200g的球形镍金属粉末装入预先准备好的模具中,粉末尺寸为15-200微米;
步骤2.将装有粉末的模具放在机械振料装置上振动5分钟,使粉末完全填充模腔内空隙;
步骤3.将步骤2中得到的装有粉末的模具放入气氛炉中进行烧结得到吸液芯材料,烧结温度为1400℃,保温时间为0.5小时;
步骤4.将烧结后的样品从模具中取出,超声清洗10分钟后放入烘箱干燥;
步骤5.在清洗干燥后的样品表面进行激光表面熔覆,熔覆层材料与吸液芯材料相同,激光加热功率为3千瓦,激光束斑尺寸为3毫米,激光光源移动速率为25毫米/秒。
图2是本发明制备的金属热管材料横截面的低倍扫描电镜照片,从图中可以看出,样品由致密的熔覆层和多孔结构层构成,熔覆层厚度为1.4mm,多孔结构的孔径为40-150微米。
图3是是本发明制备的金属热管材料横截面的高倍扫描电镜照片,从图中可以看出,熔覆层和多孔结构层界面结合良好,两者之间无明显裂纹、夹杂等缺陷。
经测试,吸液芯孔隙结构的孔隙率为20-80%。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解,本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此,凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案,皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种激光表面熔覆的金属热管材料,其特征在于,所述金属热管材料为双层结构热管材料,内层为多孔结构吸液芯,厚度为0.2-2mm;外层为利用激光表面熔覆技术制备的致密壳体,厚度为0.5-5mm;所述吸液芯的孔隙结构为三维网状分布的连通结构,孔径为10-200微米,孔隙率为20-80%。
2.如权利要求1所述的激光表面熔覆的金属热管材料,其特征在于,所述金属热管管材为直线型,长度为10-200厘米,所述金属热管管材横截面为圆形或方形,直径为5-100毫米。
3.一种激光表面熔覆的金属热管材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1.将具有特定形貌和尺寸的金属粉末装入预先准备好的模具中;
步骤2.将装有粉末的模具放在机械振料装置上振动5分钟,使粉末完全填充模腔内空隙;
步骤3.将步骤2中得到的装有粉末的模具放入烧结炉中进行烧结得到吸液芯材料;
步骤4.将烧结后的样品从模具中取出,超声清洗10分钟后放入烘箱干燥;
步骤5.在清洗干燥后的样品表面进行激光表面熔覆,熔覆层材料与吸液芯材料相同。
4.如权利要求3所述的激光表面熔覆的金属热管材料的制备方法,其特征在于,所述步骤1中所述金属粉末为高温合金、不锈钢、铜、镍、或钛合金中的一种。
5.如权利要求3所述的激光表面熔覆的金属热管材料的制备方法,其特征在于,所述步骤1中的所述金属粉末形貌为球形,尺寸为15-200微米。
6.如权利要求3所述的激光表面熔覆的金属热管材料的制备方法,其特征在于,所述步骤3中所述烧结炉为真空烧结炉或气氛烧结炉中的一种。
7.如权利要求3所述的激光表面熔覆的金属热管材料的制备方法,其特征在于,所述步骤3中烧结工艺为粉末松装烧结。
8.如权利要求3所述的激光表面熔覆的金属热管材料的制备方法,其特征在于,所述步骤3中烧结温度为700-1400℃,保温时间为0.5-5小时。
9.如权利要求3所述的激光表面熔覆的金属热管材料的制备方法,其特征在于,所述步骤5中激光加热功率为0.1-10千瓦,激光束斑尺寸为1-10毫米,激光光源移动速率为1-50毫米/秒。
10.根据权利要求3~9任一项制备方法得到的激光表面熔覆的金属热管材料,其特征在于,所述金属热管材料为双层结构热管材料,内层为多孔结构吸液芯,厚度为0.2-2mm;外层为利用激光表面熔覆技术制备的致密壳体,厚度为0.5-5mm;所述吸液芯的孔隙结构为三维网状分布的连通结构,孔径为10-200微米,孔隙率为20-80%;所述金属热管管材为直线型,长度为10-200厘米,所述金属热管管材横截面为圆形或方形,直径为5-100毫米。
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