大長徑比結(jié)構(gòu)微型金屬熱沉的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種大長徑比結(jié)構(gòu)微型金屬熱沉的制造方法，用于解決現(xiàn)有熱沉的制造方法實用性差的技術(shù)問題。技術(shù)方案是通過外力迫使金屬熔液以均勻微滴的形式從噴嘴中噴射出來，并基于離散堆積原理，以微米級的金屬微熔滴為制造單元，通過控制金屬微滴的堆積軌跡，進行逐點、逐層堆積，直至成型出微小零件。該制造方法工序簡單，無需模具的制備，對熱沉基座結(jié)構(gòu)、散熱片結(jié)構(gòu)和成型材料皆無過多限制，制備出了不同材質(zhì)的大長徑比結(jié)構(gòu)微型熱沉。
【專利說明】大長徑比結(jié)構(gòu)微型金屬熱沉的制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種熱沉的制造方法，特別是涉及一種大長徑比結(jié)構(gòu)微型金屬熱沉的制造方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著電子器件的高頻化、集成化和高功率化的發(fā)展，單位體積電子器件的發(fā)熱量和熱流密度大幅度地增加，對電子器件微域散熱冷卻系統(tǒng)提出了更高的要求。大長徑比結(jié)構(gòu)是指長度與橫截面等效直徑的比值較大的柱狀結(jié)構(gòu)，其具有較大的比表面積。由于大長徑比結(jié)構(gòu)的微型金屬熱沉可以有效增大散熱面積，在空間飛行器天線、戰(zhàn)機雷達和聚光太陽能電池等系統(tǒng)中的高能量密度微域強化換熱方面有著重要的應(yīng)用。然而，由于受到重量和空間的雙重約束限制，此類金屬熱沉對現(xiàn)有的制造方法提出了挑戰(zhàn)。
[0003]常規(guī)的金屬熱沉加工方法包括高速數(shù)控銑削、鑄造、粉末冶金和電火花加工等。高速銑削加工此類金屬微小結(jié)構(gòu)件時，存在材料粘附性強、薄壁金屬微小結(jié)構(gòu)易變形等問題；鑄造和粉末冶金工藝受制于模具形狀，很難成型出薄壁、弱剛度的金屬微小結(jié)構(gòu)；電花火加工雖常被用于制造精細(xì)的薄壁金屬結(jié)構(gòu)，但細(xì)微的電火花電極制作困難且極易損耗，故加工的翅片、薄壁尺寸不宜過小。
[0004]文獻 “Studies of microstructures made of Zn - A1 alloys usingmicrocasting.The Internat1nal Journal of Advanced ManufacturingTechnology, 2010, 46 (1-4): 173-178”公開了一種制備大長徑比金屬微小結(jié)構(gòu)的方法，通過首先制備出大長徑比結(jié)構(gòu)的石膏模具，然后運用離心鑄造的方式對模具腔體進行合金熔液的澆注，最后再脫除石膏模具部分，從而制備出具有較大長徑比結(jié)構(gòu)的6根Zn-4% A1合金圓柱。然而，該制造方法工序繁瑣，其模具制作困難且無重復(fù)使用性，對材料流動性要求較高，并且制備出的微小結(jié)構(gòu)相對簡單，只能采用同一種材料，制造柔性較差。
[0005]中國發(fā)明專利“ CN200510130503.1”公開了一種熱沉的制造方法，通過先將液態(tài)金屬灌入熱沉基座模具內(nèi)，然后再將金屬柱狀散熱片植入模具內(nèi)的液態(tài)金屬，最后待液態(tài)金屬冷卻并固定金屬柱狀散熱片后形成熱沉，這為制備大長徑比結(jié)構(gòu)微型熱沉提供了一條新途徑。然而，該制造方法工序也較繁瑣，需要預(yù)先制備熱沉基座模具和柱狀散熱片結(jié)構(gòu)，并較難成型具有曲面結(jié)構(gòu)的熱沉基座，且在成型中仍需保證基座金屬材料熔點不高于柱狀散熱片的金屬材料，否則在植入散熱片過程中可能會導(dǎo)致柱狀散熱片材料的受熱熔化，進而影響其成型質(zhì)量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服現(xiàn)有熱沉的制造方法實用性差的不足，本發(fā)明提供一種大長徑比結(jié)構(gòu)微型金屬熱沉的制造方法。該方法通過外力迫使金屬熔液以均勻微滴的形式從噴嘴中噴射出來，并基于離散堆積原理，以微米級的金屬微熔滴為制造單元，通過控制金屬微滴的堆積軌跡，進行逐點、逐層堆積，直至成型出微小零件。該制造方法工序簡單，無需模具的制備，對熱沉基座結(jié)構(gòu)、散熱片結(jié)構(gòu)和成型材料皆無過多限制，可以制備出不同材質(zhì)的大長徑比結(jié)構(gòu)微型熱沉。
[0007]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種大長徑比結(jié)構(gòu)微型金屬熱沉的制造方法，其特點是采用以下步驟:
[0008]步驟一、選擇金屬或者合金材料作為成型制件的原材料，采用物理與化學(xué)方法相結(jié)合的方式去除金屬表面氧化皮及雜質(zhì)，并將其放入坩堝8中，然后對工作環(huán)境真空室14進行密封處理；
[0009]步驟二、啟動工作環(huán)境除氧/水控制子系統(tǒng)，通過真空泵1對真空室14進行抽真空后再通入惰性氣體Ar，使得真空室14內(nèi)的壓強與外界大氣壓保持一致，經(jīng)過2?4h的除氧處理后，使用氧含量檢測儀19與水含量檢測儀20對真空室14內(nèi)的氧/水含量進行檢測，確保真空室14內(nèi)的氧含量與水含量均降低至1PPM以下；
[0010]步驟三、啟動加熱控制子系統(tǒng)，并根據(jù)步驟一中選取的具體成型原材料，設(shè)定可控感應(yīng)加熱器9的加熱溫度，使得可控感應(yīng)加熱器9逐步將坩堝8加熱到金屬材料液相線以上100?150°C，進而確保坩堝8內(nèi)是熔融態(tài)金屬原材料7 ；
[0011]步驟四、啟動微熔滴噴射控制子系統(tǒng)，將信號發(fā)生器18產(chǎn)生的方波信號輸入到氣路三通管5輸入端的電磁繼電器4上，通過電磁繼電器4的開閉控制氣路的實時通斷，再調(diào)節(jié)輸入方波信號的頻率和脈寬、入口處氣壓值和噴嘴尺寸的工藝參數(shù)，確保每次噴射出的金屬微熔滴尺寸穩(wěn)定、均勻、可控；
[0012]步驟五、運用計算機16中的CAD軟件建立目標(biāo)成型熱沉結(jié)構(gòu)的三維模型，將其保存為STL格式文件，并將STL文件導(dǎo)入指定的切片處理軟件，對三維模型進行二維切片圖形數(shù)據(jù)處理，得出每一層的金屬微熔滴噴射堆積路徑數(shù)據(jù)；
[0013]步驟六、啟動三維基板聯(lián)合運動控制子系統(tǒng)，并將步驟五中生成的金屬微熔滴堆積路徑文件進行導(dǎo)入和讀取，通過三維聯(lián)合運動基板控制器15精確控制三維聯(lián)合運動基板12在X-Y平面內(nèi)以0.05?0.8m/s的速度做水平運動，在Z軸方向以0.5?lm/s的速度做直線運動，使得金屬微熔滴準(zhǔn)確地堆積在三維聯(lián)合運動基板12的指定位置，如此反復(fù)，完成熱沉結(jié)構(gòu)的逐點、逐層堆積成型；
[0014]步驟七、制備工作完成后，將成型的大長徑微型熱沉制件10從真空室14內(nèi)取出，并整體進行回火處理，消除大長徑微型熱沉制件10的熱應(yīng)力，得到滿足使用要求的大長徑比結(jié)構(gòu)微型金屬熱沉。
[0015]成型制件的原材料不同時，將材料分別放入不同坩堝內(nèi)，在成型過程中根據(jù)需要實時轉(zhuǎn)換。
[0016]氧/水含量的上限值根據(jù)金屬原材料的活潑程度決定。
[0017]本發(fā)明的有益效果是:該方法通過外力迫使金屬熔液以均勻微滴的形式從噴嘴中噴射出來，并基于離散堆積原理，以微米級的金屬微熔滴為制造單元，通過控制金屬微滴的堆積軌跡，進行逐點、逐層堆積，直至成型出微小零件。該制造方法工序簡單，無需模具的制備，對熱沉基座結(jié)構(gòu)、散熱片結(jié)構(gòu)和成型材料皆無過多限制，制備出了不同材質(zhì)的大長徑比結(jié)構(gòu)微型熱沉。
[0018]具體表現(xiàn)在:
[0019]1.利用均勻金屬微熔滴噴射堆積制備大長徑比微型金屬熱沉?xí)r，成型過程中金屬微熔滴在表面張力作用下快速凝固，較易形成獨特的大比表面積結(jié)構(gòu)，且其力學(xué)性能較高；同時，微米級金屬微熔滴的逐點堆積生長較易形成復(fù)雜的薄壁結(jié)構(gòu)，所以相對于傳統(tǒng)方法制備的翅片狀微小結(jié)構(gòu)，其長徑比成倍增加，從而大幅度提升散熱面積。
[0020]2.成型過程受熱沉基座形狀和散熱片形狀限制較小，適宜在不規(guī)則的基座表面上進行大長徑散熱片結(jié)構(gòu)的成型，并可以完成復(fù)雜形狀的基座結(jié)構(gòu)與大長徑比散熱片結(jié)構(gòu)的一體化成型；同時，成型過程受材料的選取限制較小，熱沉基座與散熱片之間或者兩個不同散熱片之間都可以選取不同材料進行成型，甚至同一個散熱片的不同結(jié)構(gòu)部分也可以選取不同材料進行成型。
[0021]3.與常規(guī)制造方法相比，其具有操作簡單、制造柔性高、效率高、局限性小、成本低、污染少等諸多優(yōu)勢，可以實現(xiàn)大長徑比微型金屬熱沉的近凈成型。
[0022]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作詳細(xì)說明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明方法采用的大長徑比結(jié)構(gòu)微型金屬熱沉的均勻微熔滴噴射堆積成型系統(tǒng)不意圖。
[0024]圖2是本發(fā)明方法實施例1制備的大長徑比鰭柱散熱片結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖3是本發(fā)明方法實施例1制備的銅合金曲面基座結(jié)合鋁合金大長徑比翅片結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖中，1-真空泵；2_氬氣罐；3_氬氣減壓器；4_電磁繼電器；5_氣路三通管；6-坩禍熱電偶；7_溶融態(tài)金屬原材料；8-相■禍；9_可控感應(yīng)加熱器；10-大長徑微型熱沉制件；
11-基板加熱裝置；12-三維聯(lián)合運動基板；13_基板熱電偶；14_真空室；15_三維聯(lián)合運動基板控制器；16_計算機；17_溫度檢測控制器；18_信號發(fā)生器；19_氧含量檢測儀；20_水含量檢測儀；21_大長徑比鰭柱散熱片；22_大長徑比翅片；23_對熱沉曲面基座。

【具體實施方式】
[0027]以下實施例參照圖1-3。
[0028]實施例1:平面基座鋁合金大長徑比鰭柱陣列結(jié)構(gòu)熱沉制備。
[0029]依據(jù)大長徑比鰭柱散熱片21的具體結(jié)構(gòu)尺寸、陣列要求等，首先運用計算機16中的CAD軟件對其進行建模，并將三維模型保存為STL文件，再將此文件導(dǎo)入指定的切片數(shù)據(jù)處理軟件，獲得最佳的成型路徑，然后進入噴射金屬原材料的預(yù)處理階段，首先將滿足要求的鋁合金原材料進行適當(dāng)切割處理，以便其能夠放入坩堝8中，采用物理和化學(xué)相結(jié)合的方式去除鋁合金原材料表面的氧化皮，除氧過程持續(xù)2?4h。接下來在無水乙醇中反復(fù)超聲振動清洗三次，以便去除其表面附著的雜質(zhì)，再通過無氧干燥烘干后，將其放置于坩堝8中。通過氬氣罐2和真空泵1的聯(lián)合作用不斷將真空室14內(nèi)部抽真空并充入干燥氬氣，通過氧含量檢測儀19和水含量檢測儀20的實時監(jiān)測，保證真空室14內(nèi)部環(huán)境中的氧含量與水含量均低于1PPM，此時啟動加熱控制子系統(tǒng)，通過溫度檢測控制器17設(shè)定加熱溫度，并結(jié)合坩堝熱電偶6的溫度采集與可控感應(yīng)加熱器9的聯(lián)合作用，逐步將坩堝8內(nèi)的熔融態(tài)金屬原材料7 (本實施例采用鋁合金材料)加熱至其液相線以上100?150°C，然后使整個系統(tǒng)進入保溫狀態(tài)，啟動微熔滴噴射控制子系統(tǒng)，將信號發(fā)生器18產(chǎn)生的脈沖電信號輸入到氣路三通管5輸入端的電磁繼電器4上，通過調(diào)節(jié)氬氣減壓器3出口壓力大小、輸入方波脈寬和頻率的工藝參數(shù)，保證每次噴射出的鋁合金微熔滴單顆、穩(wěn)定、均勻且尺寸符合要求。最后根據(jù)之前獲得的最佳的成型路徑數(shù)控文件，通過三維聯(lián)合運動基板控制器15控制三維運動基板12在X-Y平面內(nèi)以0.05?0.8m/s的速度做水平運動，在Z軸方向以0.5?lm/s的速度做直線運動，使得金屬微熔滴準(zhǔn)確地堆積在三維聯(lián)合運動基板(12)的指定位置，配合金屬微熔滴的定點按需噴射，逐點、逐層地堆積出大長徑比微型熱沉制件10，待堆積成型結(jié)束后，取出制件，并對其整體進行回火處理，以消除金屬微熔滴快速凝固時產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，從而獲得滿足使用要求的平面基座鋁合金材質(zhì)的大長徑比鰭柱散熱片21。
[0030]實施例2:銅合金曲面基座結(jié)合鋁合金大長徑比翅片結(jié)構(gòu)熱沉制備。
[0031]本實施例在應(yīng)用時與實施例1的工藝過程基本相同，不同之處主要是熱沉的基座與散熱片結(jié)構(gòu)建模，還有其基座與散熱片間需要采用不同材料進行制備。在成型的工藝過程中，首先運用計算機16中的CAD軟件對熱沉曲面基座23與大長徑比翅片22進行建模，并對其進行軟件切片處理，獲得相應(yīng)的最佳成型路徑，并將成型路徑保存為兩個文件，一個用于堆積成型基座結(jié)構(gòu)，另一個用于堆積成型翅片結(jié)構(gòu)，然后先采用填充銅合金原材料的坩堝結(jié)合基座成型路徑文件堆積制備熱沉曲面基座，再轉(zhuǎn)換至填充鋁合金原材料的坩堝，結(jié)合翅片結(jié)構(gòu)的成型路徑文件在銅合金基座表面上堆積制備散熱片部分，在此過程中需要采用基板加熱裝置11對熱沉基座材料進行預(yù)熱，通過基板熱電偶13的溫度采集保證已制備的銅合金曲面基座預(yù)熱溫度在300?400°C，進而控制鋁合金微熔滴可以很好地與基座材料進行熔合。加工完成后，對大長徑微型熱沉制件10進行整體回火處理，以消除由于金屬微熔滴與基座材料間的溫度梯度或因金屬微熔滴快速凝固而產(chǎn)生的殘余熱應(yīng)力，最終獲得滿足要求的銅合金曲面基座結(jié)合鋁合金的大長徑比翅片22。
【權(quán)利要求】
1.一種大長徑比結(jié)構(gòu)微型金屬熱沉的制造方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟一、選擇金屬或者合金材料作為成型制件的原材料，采用物理與化學(xué)方法相結(jié)合的方式去除金屬表面氧化皮及雜質(zhì)，并將其放入坩堝(8)中，然后對工作環(huán)境真空室(14)進行密封處理； 步驟二、啟動工作環(huán)境除氧/水控制子系統(tǒng)，通過真空泵(I)對真空室(14)進行抽真空后再通入惰性氣體Ar，使得真空室(14)內(nèi)的壓強與外界大氣壓保持一致，經(jīng)過2?4h的除氧處理后，使用氧含量檢測儀(19)與水含量檢測儀(20)對真空室(14)內(nèi)的氧/水含量進行檢測，確保真空室(14)內(nèi)的氧含量與水含量均降低至IPPM以下； 步驟三、啟動加熱控制子系統(tǒng)，并根據(jù)步驟一中選取的具體成型原材料，設(shè)定可控感應(yīng)加熱器(9)的加熱溫度，使得可控感應(yīng)加熱器(9)逐步將坩堝(8)加熱到金屬材料液相線以上100?150°C，進而確保坩堝⑶內(nèi)是熔融態(tài)金屬原材料(7)； 步驟四、啟動微熔滴噴射控制子系統(tǒng)，將信號發(fā)生器(18)產(chǎn)生的方波信號輸入到氣路三通管(5)輸入端的電磁繼電器⑷上，通過電磁繼電器⑷的開閉控制氣路的實時通斷，再調(diào)節(jié)輸入方波信號的頻率和脈寬、入口處氣壓值和噴嘴尺寸的工藝參數(shù)，確保每次噴射出的金屬微熔滴尺寸穩(wěn)定、均勻、可控； 步驟五、運用計算機(16)中的CAD軟件建立目標(biāo)成型熱沉結(jié)構(gòu)的三維模型，將其保存為STL格式文件，并將STL文件導(dǎo)入指定的切片處理軟件，對三維模型進行二維切片圖形數(shù)據(jù)處理，得出每一層的金屬微熔滴噴射堆積路徑數(shù)據(jù)； 步驟六、啟動三維基板聯(lián)合運動控制子系統(tǒng)，并將步驟五中生成的金屬微熔滴堆積路徑文件進行導(dǎo)入和讀取，通過三維聯(lián)合運動基板控制器(15)精確控制三維聯(lián)合運動基板(12)在X-Y平面內(nèi)以0.05?0.8m/s的速度做水平運動，在Z軸方向以0.5?lm/s的速度做直線運動，使得金屬微熔滴準(zhǔn)確地堆積在三維聯(lián)合運動基板(12)的指定位置，如此反復(fù)，完成熱沉結(jié)構(gòu)的逐點、逐層堆積成型； 步驟七、制備工作完成后，將成型的大長徑微型熱沉制件(10)從真空室(14)內(nèi)取出，并整體進行回火處理，消除大長徑微型熱沉制件(10)的熱應(yīng)力，得到滿足使用要求的大長徑比結(jié)構(gòu)微型金屬熱沉。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大長徑比結(jié)構(gòu)微型金屬熱沉的制造方法，其特征在于:成型制件的原材料不同時，將材料分別放入不同坩堝內(nèi)，在成型過程中根據(jù)需要實時轉(zhuǎn)換。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大長徑比結(jié)構(gòu)微型金屬熱沉的制造方法，其特征在于:氧/水含量的上限值根據(jù)金屬原材料的活潑程度決定。
【文檔編號】B22F3/115GK104308154SQ201410528141
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月9日
【發(fā)明者】齊樂華, 伊浩, 羅俊, 張代聰, 楊方 申請人:西北工業(yè)大學(xué)