電子束毛化技術(shù)在散熱領(lǐng)域的應(yīng)用研究*

劉增文，呂曉衛(wèi)，馮展鷹

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

電子束毛化技術(shù)在散熱領(lǐng)域的應(yīng)用研究*

劉增文，呂曉衛(wèi)，馮展鷹

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

電子束毛化技術(shù)是一種新型的表面改性技術(shù)，可以在材料表面制備各種形狀的凸起陣列，進(jìn)而有效增加材料的表面積，因此在散熱領(lǐng)域有較大的應(yīng)用前景。文中通過對(duì)比試驗(yàn)，研究了6063鋁合金毛化試樣的散熱、表面處理和耐腐蝕性能。研究顯示，具有較高凸起且密集排列的毛化試樣可以有效提高6063鋁合金的散熱性能。毛化過程對(duì)6063鋁合金的表面導(dǎo)電氧化和耐腐蝕性無影響，但特定的毛化結(jié)構(gòu)會(huì)影響材料的表面處理性能。此外，還要考慮毛刺剛性在長(zhǎng)期使用過程中對(duì)散熱效果的影響。

電子束毛化技術(shù)；鋁合金；散熱；耐腐蝕

引 言

電子束以一定的速度在金屬材料表面移動(dòng)時(shí)，電子束熔池中的液態(tài)金屬將會(huì)在表面張力及金屬蒸氣壓力的共同作用下，向與電子束流移動(dòng)方向相反的方向流動(dòng)。利用電子束的這一特性，英國(guó)焊接研究所(The Welding Institute, TWI)近年來開發(fā)了一種新型電子束表面加工技術(shù)——電子束毛化技術(shù)[1]。

通過電子束毛化技術(shù)，可以在材料表面制備不同形貌的毛化陣列，進(jìn)而有效增大材料的表面積，故在提高材料的散熱性能方面具有很大的潛力。本研究在6063鋁合金表面制備不同的毛化形貌，然后對(duì)毛化后的6063鋁合金的散熱性能進(jìn)行研究。由于在液冷系統(tǒng)中，表面涂覆和耐腐蝕性也是影響液冷系統(tǒng)的重要指標(biāo)[2-3]，因此對(duì)毛化試樣的導(dǎo)電氧化和耐腐蝕性也進(jìn)行了研究，以期為毛化技術(shù)在散熱領(lǐng)域的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 電子束毛化原理和研究現(xiàn)狀

電子束毛化技術(shù)是在真空環(huán)境下，通過高頻偏轉(zhuǎn)線圈和掃描花樣控制軟件，使電子束可以按照特定的

掃描花樣以及一定的頻率和掃描速度在材料表面進(jìn)行快速重復(fù)的掃描。由于電子束在掃描時(shí)，熔池金屬將會(huì)朝著與電子束移動(dòng)方向相反的方向流動(dòng)，因此當(dāng)電子束重復(fù)掃描同一區(qū)域時(shí)，熔池前端的金屬將會(huì)不斷向熔池末端方向流動(dòng)，隨后凝固并堆積。經(jīng)過不斷的重復(fù)堆積，在金屬表面便會(huì)形成具有一定形狀和大小的“凸起”。與此同時(shí)，在熔池前端會(huì)形成很小的凹坑或者凹槽狀的“刻蝕”，如圖1所示。當(dāng)電子束以特定的花樣在一個(gè)區(qū)域內(nèi)快速重復(fù)掃描時(shí)，就會(huì)在材料表面形成具有特定花樣的“凸起”，如圖2所示。在電子束毛化過程中，若參數(shù)合適，毛刺生長(zhǎng)速度很快，在10 s內(nèi)就能夠使毛刺的高度生長(zhǎng)到1.5 mm[4-6]。

圖1 電子束毛化過程示意圖

圖2 毛化形貌

目前電子束毛化技術(shù)已經(jīng)可以在鋁合金、鈦合金、不銹鋼、銅合金等材料表面制備各種形貌的毛刺陣列，如柱狀、尖刺、三角形、星形等形狀的毛刺，如圖3所示。根據(jù)材料的不同，毛刺高度可以在10 μm ～20 mm 內(nèi)變化[1,4-7]。

圖3 不同的電子束毛化形貌

在電子束毛化的研究方面，目前的研究主要集中于成形參數(shù)控制和毛刺微觀組織研究等方面。在成形控制方面，研究顯示掃描頻率和熱輸入量對(duì)毛化形貌生長(zhǎng)速度的影響較為重要[7]。在微觀組織研究方面，研究發(fā)現(xiàn)毛刺一般分為凸起區(qū)、熱影響區(qū)和基體3 部分。由于凝固速度的差異，3 個(gè)區(qū)域的微觀組織有較大差異。在硬度方面，一般熱影響區(qū)硬度最高，而毛刺區(qū)和基體硬度較低，同時(shí)，由于元素蒸發(fā)，不同區(qū)域的元素成分也有一定的差異[8-9]。

在電子束毛化技術(shù)的應(yīng)用方面，國(guó)內(nèi)外在金屬-復(fù)合材料連接、涂層制備等領(lǐng)域已經(jīng)有一些前沿的研究。在金屬和復(fù)合材料的連接方面，利用電子束毛化技術(shù)預(yù)先在金屬表面制備毛刺，然后再將毛化后的金屬與復(fù)合材料加溫加壓固化，使得金屬表面的毛刺嵌入復(fù)合材料中間，可以增加復(fù)合材料和金屬的接觸面積和相互作用，進(jìn)而提高二者之間的連接強(qiáng)度，如圖4所示[4]。在涂層制備領(lǐng)域，可以事先在沉積表面制備毛刺，然后在其表面制備涂層。研究顯示，毛化形貌不僅可以提高涂層和基體的結(jié)合力，還可以影響涂層裂紋以及晶粒生長(zhǎng)。圖5為毛化的鈦合金表面制備鋁合金涂層[4-5]。

圖4 毛化技術(shù)在金屬-復(fù)合材料連接方面的應(yīng)用

圖5 毛化技術(shù)在涂層制備方面的應(yīng)用

2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)所用鋁合金為6063鋁合金板材，尺寸大小為100 mm × 100 mm × 5 mm。然后以6063鋁合金板材為基板，在電子束毛化設(shè)備上制備了溝槽、毛刺和顆粒3 種不同毛化形貌，如圖6所示。

圖6 毛化試樣宏觀形貌

毛化試樣制備完畢后，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)3 種毛化試樣的散熱性能進(jìn)行評(píng)估。同時(shí)還測(cè)量普通6063鋁合金板材(表面未進(jìn)行任何處理)、6063鋁合金微通道試樣的散熱效果，用以對(duì)比分析，其中微通道試樣由2 mm × 0.6 mm的翅片陣列組成，翅片間距1.1 mm，截面如圖7所示。

圖7 微型流道截面

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖8所示，由液冷底板、毛化試樣、冷卻液、發(fā)熱體和測(cè)溫系統(tǒng)組成。試驗(yàn)時(shí)，先將發(fā)熱體焊接在試樣表面，然后將不同的測(cè)試試樣鑲嵌進(jìn)液冷底板中，用夾具固定，形成具有中空腔體的液冷冷板，通冷卻液，同時(shí)通電使發(fā)熱體發(fā)熱，待系統(tǒng)達(dá)到熱平衡后，用熱電偶測(cè)量發(fā)熱體表面的溫度。

圖8 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖

試驗(yàn)完畢后，按照QJ/Z 120 鋁及鋁合金化學(xué)導(dǎo)電氧化膜層生產(chǎn)說明書中流程對(duì)普通鋁板、微通道試樣以及3 種毛化試樣進(jìn)行表面導(dǎo)電氧化處理，并將氧化后的試樣浸入去離子水中12 h，利用DDB-303A型電導(dǎo)率測(cè)試儀測(cè)量(上海雷磁)浸泡前后去離子水的電導(dǎo)率，以分析試樣表面的離子殘留。最后在環(huán)境試驗(yàn)箱中對(duì)毛化試樣進(jìn)行96 h鹽霧試驗(yàn)，以評(píng)估毛化試樣的耐腐蝕性能。

3 結(jié)果與討論

圖9為毛刺和溝槽狀毛化試樣的截面形貌?？梢钥闯雒虪蠲砻嬷饕?.5 mm高的三角形陣列組成。由于毛刺厚度較薄，在外力作用下部分毛刺出現(xiàn)了變形和倒伏。溝槽狀毛化表面主要由1.5 mm高的三角形凸起以及1.8 mm深的溝槽組成。由于凸起和凹槽連成一體，剛性較好，因此毛化陣列沒有發(fā)生變形。在散熱結(jié)構(gòu)中，毛刺的強(qiáng)度也是需要考慮的一個(gè)因素。毛刺強(qiáng)度過低，在長(zhǎng)期使用過程中，有可能導(dǎo)致毛刺脫落，進(jìn)而導(dǎo)致流道堵塞。

圖9 毛化試樣截面形貌

利用散熱裝置，測(cè)量在使用普通鋁板、微通道試樣以及不同毛化試樣的情況下，發(fā)熱體表面的溫度，結(jié)果見表1?？梢钥闯?，焊接在微通道試樣表面的發(fā)熱體表面溫度最低，溝槽狀試樣次之，普通鋁板、毛刺試樣以及表面顆粒狀試樣無明顯區(qū)別。這表明微通道試樣的散熱性能最好，溝槽狀試樣次之，而毛刺及顆粒狀試樣和普通鋁板的散熱效果無明顯區(qū)別。對(duì)于微通道試樣，凸起陣列形狀規(guī)則，且排列密集，有效增加了試樣的表面積，同時(shí)微通道之間有1.1 mm的間隙允許液體流過，因此散熱性能最好。對(duì)于溝槽狀試樣，其表面分布有溝槽，使得其表面積也有一定的增加，但由于凹槽間隔較大，排列較為稀疏，因此散熱效果較微通道試樣低。對(duì)于毛刺狀和顆粒狀毛化試樣，凸起過于細(xì)小，且高度較矮，因此試樣的散熱效果無明顯改善，其散熱性能和普通鋁板的散熱效果差別不大。

表1 不同試樣的測(cè)溫結(jié)果

導(dǎo)電氧化后的3種試樣表面如圖10所示?？梢钥闯龈鱾€(gè)毛化試樣表面均覆蓋了一層均勻的氧化膜。由于毛刺狀試樣存在較多盲孔，因此分析了盲孔內(nèi)部的導(dǎo)電氧化情況，如圖11所示?？梢钥吹?，盲孔底部區(qū)域沒有導(dǎo)電氧化層覆蓋。這是由于試樣表面盲孔不利于液體流動(dòng)，因此導(dǎo)電氧化液無法進(jìn)入盲孔底部，故此處導(dǎo)電氧化效果較差。3 種毛化試樣的導(dǎo)電氧化結(jié)果表明，電子束毛化過程本身不會(huì)改變6063鋁合金的表面導(dǎo)電氧化能力，但特殊毛化結(jié)構(gòu)(如盲孔等)的存在會(huì)影響導(dǎo)電氧化液的流動(dòng)，進(jìn)而影響6063鋁合金毛化表面的導(dǎo)電氧化性能。

圖10 不同毛化形貌導(dǎo)電氧化后外觀

圖11 毛刺狀毛化試樣盲孔內(nèi)導(dǎo)電氧化效果

由于毛化后試樣表面比較粗糙，導(dǎo)電氧化完畢后，粗糙的表面有可能導(dǎo)致導(dǎo)電氧化液中的離子殘留，進(jìn)而影響材料的耐腐蝕性能，因此在毛化試樣導(dǎo)電氧化完畢后，將3 種毛化試板、微通道試樣和普通鋁板浸入去離子水中12 h，然后對(duì)比試樣浸入前后去離子水電導(dǎo)率的變化，結(jié)果見表2。從結(jié)果中可以看到，5 種試樣導(dǎo)電氧化后電導(dǎo)率無明顯差異，這說明雖然毛化試樣使材料表面變得粗糙，但并不會(huì)造成離子殘留。

表2 導(dǎo)電氧化后各鋁板浸泡前后的離子濃度

試樣導(dǎo)電氧化后，為了評(píng)估其耐腐蝕性，將其放置于鹽霧試驗(yàn)箱中96 h。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，24 h以后，溝槽狀毛化試板和顆粒狀毛化試板表面無明顯的腐蝕斑點(diǎn)，但是毛刺狀毛化試板的盲孔口部已經(jīng)出現(xiàn)了褪色現(xiàn)象，且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，盲孔口部褪色區(qū)不斷擴(kuò)展。96 h以后的試樣形貌如圖12所示。

圖12 96 h鹽霧試驗(yàn)后試板的表面形貌

可以看到溝槽狀毛化試板和顆粒狀毛化試板表面仍然較好，出現(xiàn)了部分褪色現(xiàn)象，毛刺狀試樣在部分盲孔處導(dǎo)電氧化層褪色嚴(yán)重，但3 種試樣均無腐蝕斑點(diǎn)出現(xiàn)。對(duì)比毛化試樣周圍未毛化的區(qū)域，同樣出現(xiàn)了導(dǎo)電氧化層的褪色，這表明毛化過程本身并不會(huì)影響6063鋁合金毛化試樣的耐腐蝕性能。

4 結(jié)束語

具有較高凸起且密集排列的毛化形貌，可以提高6063鋁合金的散熱效果，但若毛化凸起較矮，則毛化處理對(duì)6063鋁合金試樣的散熱效果無明顯提升。同時(shí)在散熱結(jié)構(gòu)中，要考慮電子束毛化陣列的剛性，較薄的毛刺剛性較差，在長(zhǎng)期使用過程中可能會(huì)脫落，進(jìn)而堵塞流道。毛化過程本身不會(huì)改變6063鋁合金的導(dǎo)電氧化性能，但部分毛化結(jié)構(gòu)(如盲孔等)會(huì)妨礙導(dǎo)電氧化液的流動(dòng)，進(jìn)而影響材料的導(dǎo)電氧化性能。同時(shí)，6063鋁合金毛化后粗糙的表面不會(huì)造成離子殘留增加。毛化過程不會(huì)改變6063鋁合金的耐腐蝕性，毛化后試樣的耐腐蝕性和6063鋁合金材料本體的耐腐蝕性能沒有明顯差異。

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劉增文(1983-)，男，工程師，主要從事機(jī)械工藝設(shè)計(jì)、液冷散熱、市場(chǎng)項(xiàng)目營(yíng)銷與管理工作。

Research on Electron Beam Surfi-sculpt Technology onThermal Field

LIU Zeng-wen，LV Xiao-wei，F(xiàn)ENG Zhan-ying

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Electron beam surfi-sculpt (EBSS) is a new technology that can modify the surface of the materials. Arrays of various shapes are formed on the surface of the material，and thus the surface area is increased greatly, which can improve the heat dissipation properties of the material. In this paper the heat dissipation, surface treatment and corrosion resistance of the aluminum plate with different modified surface are investigated. It is found that the heat dissipation properties of 6063 aluminum alloy can be improved if the height of the protrusion is high. The EBSS process has little influence on the surface conductive oxidation process and corrosion resistance of the 6063 aluminum alloy, but special structure of the protrusion may influence the conductive oxidation process of the material. Besides, the rigidity of the protrusion should be considered in long-term application.

electron beam surfi-sculpt; aluminum; heat dissipation; corrosion resistance

2016-06-14

TK124

A

1008-5300(2016)04-0054-04