鋁合金液冷板激光選區(qū)熔化3D打印及其性能研究

雷 濤

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所,四川 成都 610036)

電子設(shè)備液冷板是以水或其他有機(jī)冷卻劑(如乙二醇溶液)為介質(zhì),使該介質(zhì)在液冷板中流動(dòng)來帶走電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量的散熱組件,其能夠滿足較高熱流密度的散熱需求,在航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。鋁合金以其密度低、比強(qiáng)度高、導(dǎo)熱導(dǎo)電性能好等優(yōu)點(diǎn),成為了電子設(shè)備液冷板的主要材料。隨著液冷板向微小通道、曲面共形等方向發(fā)展,傳統(tǒng)的真空釬焊、擴(kuò)散焊、鑄造等工藝已難以滿足制造需求[1-2]。3D打印技術(shù)為新的設(shè)計(jì)提供了更多的可能性,可在液冷板制造方面簡(jiǎn)化工藝流程、滿足定制化需求。相關(guān)研究人員[3-5]開展了微通道液冷板的成型工藝研究及散熱特性試驗(yàn),肯定了3D打印技術(shù)在復(fù)雜微通道成型上的能力及相關(guān)試驗(yàn)件在密封性能、流動(dòng)性能、散熱性能上的優(yōu)異效果。

蔡艷召等[6]開展了3D打印鋁合金液冷板的性能研究,通過試驗(yàn)對(duì)比分析了液冷板的部分環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)結(jié)果、散熱與流阻性能。但現(xiàn)有3D打印鋁合金液冷板的研究,對(duì)于設(shè)計(jì)、制造描述相對(duì)簡(jiǎn)單,對(duì)于性能試驗(yàn)與分析并不充分,不能完全說明具備工程項(xiàng)目應(yīng)用可行性?；诖?本文對(duì)3D打印液冷板的流道改進(jìn)及工藝模型設(shè)計(jì)、制造及后處理進(jìn)行研究,對(duì)3D打印液冷板的成形材料性能、流阻性能、環(huán)境適應(yīng)性等進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比分析。

1 流道改進(jìn)及工藝模型設(shè)計(jì)

1.1 液冷流道3D打印適應(yīng)性改進(jìn)

液冷板內(nèi)部有復(fù)雜的散熱流道,流道內(nèi)若設(shè)置支撐將無法去除,而現(xiàn)有的流道結(jié)構(gòu)形式在不設(shè)置支撐的情況下打印成形,內(nèi)部流道頂面會(huì)存在懸垂塌陷現(xiàn)象,增大流道流阻。雖然有學(xué)者為了提高流道的成形質(zhì)量嘗試將液冷板傾斜放置在成形平臺(tái)上進(jìn)行打印,但是這種方式會(huì)增加液冷板外部支撐和打印成本,且對(duì)于三維立體流道的適應(yīng)性不強(qiáng)。

基于激光選區(qū)熔化(selective laser melting,SLM)3D打印AlSi10Mg鋁合金懸垂結(jié)構(gòu)的成形質(zhì)量規(guī)律,對(duì)液冷流道進(jìn)行了3D打印自支撐設(shè)計(jì),將原有的矩形流道修改為如圖1所示的在打印成形方向呈尖頂狀的流道。而流道截面形狀的改變會(huì)影響流阻性能,需要結(jié)合流阻仿真確定適合的尺寸。

圖1 液冷流道截面打印改進(jìn)設(shè)計(jì)

1.2 液冷板3D打印工藝模型

液冷板裝配面的尺寸精度及粗糙度要求較高,且外表面上通常需加工螺紋孔、刻字凹槽等細(xì)節(jié)特征,有安裝凸臺(tái)等懸垂結(jié)構(gòu),且可能存在打印成形方向上壁厚不均勻,這些限制條件增加了直接使用設(shè)計(jì)模型3D打印成形液冷板的難度,因此有必要針對(duì)液冷板開展打印工藝模型設(shè)計(jì),如圖2所示,在產(chǎn)品模型外表面設(shè)置加工余量≥1 mm,將工藝模型導(dǎo)入3D打印設(shè)備,所成形的毛坯經(jīng)精加工及后續(xù)工序形成最終的交付產(chǎn)品。。

圖2 液冷板3D打印工藝模型設(shè)計(jì)示例

2 3D打印及后處理

將液冷板工藝模型導(dǎo)入增材制造設(shè)備專用軟件中,為了減小單層打印的閉環(huán)截面積,同時(shí)提升單次打印排布數(shù)量,將液冷板按圖2的打印成形方向排布在成形平臺(tái)上。采用粒徑為15～53 μm的AlSi10Mg粉末,設(shè)置層厚為0.03 mm,通過逐層打印的方式來成形液冷板。成形后,將液冷板連同成形平臺(tái)從打印設(shè)備取出,用經(jīng)干燥處理的車間壓縮氣體從液冷進(jìn)出口進(jìn)行沖刷,這一過程中伴隨敲擊振動(dòng),以清除流道中的粉末。

由于熔體對(duì)流與粉末黏附作用,流道表面會(huì)存在少量壓縮氣體難以沖刷掉的殘留粉末,其對(duì)于流道壓降[7]、流道潔凈度[8]有影響。如圖3所示,可以采用液態(tài)磨粒流拋光、化學(xué)循環(huán)拋光技術(shù)予以解

圖3 液冷板流道拋光技術(shù)

決。液態(tài)磨粒流拋光技術(shù)采用的磨料是懸浮液,解決了傳統(tǒng)磨粒流拋光在復(fù)雜、微細(xì)流道拋光的阻力大、易堵塞、難清除等難題?；瘜W(xué)循環(huán)拋光采用配制的化學(xué)處理液循環(huán)作用,對(duì)于液冷流道表面質(zhì)量一致性改善具有獨(dú)特的作用,拋光過程中不存在局部過拋現(xiàn)象。

3 性能試驗(yàn)與分析

3.1 成形材料性能及試驗(yàn)

關(guān)于激光選區(qū)熔化3D打印成形AlSi10Mg鋁合金的組織與性能,近幾年有部分學(xué)者進(jìn)行了試驗(yàn)研究[9-12],獲得了成形材料的拉伸力學(xué)性能、密度、硬度等數(shù)據(jù)。本文基于國(guó)產(chǎn)化設(shè)備及材料制備的AlSi10Mg鋁合金液冷板材料與此前公開的數(shù)據(jù)相差不大,而與常用電子設(shè)備液冷板材料(如6063鋁合金)對(duì)比發(fā)現(xiàn),3D打印的AlSi10Mg鋁合金力學(xué)性能具有顯著優(yōu)勢(shì)。

導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)于液冷板來說是極為關(guān)鍵的熱物性參數(shù),直接關(guān)系到液冷板的散熱效率。基于瞬態(tài)平面熱源法[13](hot disk)測(cè)定AlSi10Mg的導(dǎo)熱系數(shù)。通過3D打印成形試驗(yàn)柱體,并精加工為圓柱測(cè)試樣品(直徑60 mm,高30 mm),測(cè)試時(shí),探頭一端被兩個(gè)相同的被測(cè)樣品夾緊,另一端連接導(dǎo)熱系數(shù)儀,如圖4所示。經(jīng)多次測(cè)試,獲得3D打印AlSi10Mg鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)為174 W/(m·K),說明其具有較好的導(dǎo)熱性能,能滿足大部分電子設(shè)備液冷板的導(dǎo)熱需求。

圖4 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試

3.2 流阻性能試驗(yàn)分析

除了導(dǎo)熱系數(shù),流阻同樣直接關(guān)系到液冷板的散熱效率。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝都會(huì)影響液冷板的流阻大小,其中工藝對(duì)于流阻的影響主要表現(xiàn)在流道截面尺寸精度控制、流道表面粗糙度控制等。對(duì)沿流道徑向剖切的3D打印液冷板的流道尺寸偏差進(jìn)行測(cè)試,獲得測(cè)試樣件(測(cè)試點(diǎn)位≥3)的尺寸偏差為-0.05～0.05 mm,優(yōu)于真空釬焊樣件的0～0.10 mm、擴(kuò)散焊樣件的-0.20～-0.40 mm。對(duì)經(jīng)剖切處理的3D打印液冷板流道的表面粗糙度進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試數(shù)據(jù)見表1,通過液態(tài)磨粒流拋光或化學(xué)循環(huán)拋光可將流道表面粗糙度Ra控制到小于3.2 μm,流道呈現(xiàn)出金屬光澤效果。

表1 液冷板流道表面粗糙度測(cè)試數(shù)據(jù) 單位:μm

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于流阻的影響主要表現(xiàn)在流道布局設(shè)計(jì)、流道截面形狀與尺寸。所需測(cè)試的3D打印樣件、焊接樣件的流道布局設(shè)計(jì)保持一致,其中3D打印樣件的流道截面形狀做了打印適應(yīng)性優(yōu)化設(shè)計(jì),為了保持模型流阻一致性,基于FloEFD仿真軟件開展了流阻仿真,如圖5(a)所示。仿真發(fā)現(xiàn),3D打印樣件模型的流阻大于焊接樣件模型流阻。3D打印樣件模型流道徑向截面增大后,仿真迭代流阻數(shù)據(jù),最終在流道徑向截面寬度雙邊偏置0.1 mm后得到的流阻仿真數(shù)據(jù)與焊接樣件模型仿真流阻差異小于5%,如圖5(b)所示。

圖5 流阻仿真結(jié)果

采用設(shè)備精度不低于±0.1 kPa的流阻測(cè)試臺(tái)對(duì)3D打印液冷板、焊接液冷板進(jìn)行流阻測(cè)試,如圖6所示。通過測(cè)試發(fā)現(xiàn),3D打印樣件與真空釬焊樣件的流阻接近,而擴(kuò)散焊樣件的流阻較大,其中3D打印樣件與擴(kuò)散焊樣件的測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。經(jīng)分析,應(yīng)該是擴(kuò)散焊過程中高溫高壓作用,使得流道壓縮變窄,從而增大了流阻。

表2 流阻測(cè)試結(jié)果(2 L/min) 單位:kPa

圖6 流阻測(cè)試

圖7 樣件腐蝕情況

3.3 環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)

針對(duì)3D打印液冷板樣件開展了包含機(jī)械與溫度耐受性、化學(xué)腐蝕穩(wěn)定性的環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)。其中機(jī)械與溫度耐受性試驗(yàn)樣件為3D打印并經(jīng)加工至交付狀態(tài)的液冷板樣件,化學(xué)腐蝕穩(wěn)定性試驗(yàn)樣件為3D打印并經(jīng)表面電鍍處理的樣件。具體試驗(yàn)設(shè)置及結(jié)果見表3。

表3 環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)情況

試驗(yàn)結(jié)果表明,3D打印的液冷板能夠滿足產(chǎn)品的機(jī)械與溫度耐受性要求,而在化學(xué)腐蝕穩(wěn)定性方面,需要對(duì)液冷板外表面進(jìn)行彩色導(dǎo)電氧化或微弧氧化防護(hù)以提升其耐腐蝕性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文給出了液冷板流道工藝適應(yīng)性改進(jìn)設(shè)計(jì)及工藝模型設(shè)計(jì)方法,該設(shè)計(jì)方法適用于各種類型電子裝備液冷板的3D打印結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計(jì),流道尺寸偏差控制在±0.05 mm。針對(duì)3D打印液冷板流道后處理難題,創(chuàng)新性地提出了液態(tài)磨粒流拋光、化學(xué)循環(huán)拋光的流道后處理工藝,可有效清除流道表面殘留的有一定結(jié)合力的粉末,并經(jīng)剖切觀測(cè)獲得了理想的內(nèi)表面質(zhì)量,表面粗糙度Ra可達(dá)0.4～2.8 μm。在3D打印液冷板的工程項(xiàng)目應(yīng)用可行性方面,通過測(cè)量得到了3D打印AlSi10Mg材料的導(dǎo)熱系數(shù),經(jīng)仿真與試驗(yàn)對(duì)比分析了流阻性能、環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)結(jié)果,并明確了對(duì)液冷板外表面進(jìn)行彩色導(dǎo)電氧化或微弧氧化防護(hù)可提升耐腐蝕性能,通過了鋁合金液冷板產(chǎn)品要求的環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)。