以下文章来源于稀有金属RareMetals ，作者王克鸿
热处理对均质材料的微观组织和力学性能具有显著影响，通过合适的热处理工艺可以改善组织和性能。然而，由于异质异构材料成分和组织的非均匀性，异质异构材料的热处理面临着巨大挑战。
日前，南京理工大学材料科学与工程学院王克鸿教授团队在Rare Metals上发表了题为“Effects of heat treatment on the microstructures and properties of a heterostructured alloy with dissimilar components fabricated by WAAM”的研究文章，系统研究了热处理对电弧增材异质叠层合金组织和性能的影响，揭示了异质叠层合金316L SS区域的应力诱导马氏体相变增韧效应。本期谷.专栏将分享这项研究的亮点及主要内容。
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▲ 论文链接：
https://doi.org/10.1007/s12598-024-02854-y
内容简介
研究团队采用电弧增材制备了18Ni300马氏体时效钢和316L不锈钢异质交替的叠层合金；并在900 ℃条件下固溶处理30分钟，随后将固溶处理试样和增材试样放置在500 ℃下时效处理4小时，并将其分别定义为SA和AT样品。时效处理样品的物相组成和晶粒取向与增材试样一致。固溶+时效处理样品的316L不锈钢层组织与增材试样相同，但18Ni300马氏体时效钢层的奥氏体相含量减少，晶粒得到了细化，这是由固态相变导致。时效处理使得AT试样的18Ni300马氏体时效钢层中产生了针状ω和椭球状Ni3Ti、Fe2Mo和X纳米析出相；而SA样品中的纳米析出相主要为针状FeNi2相和椭球状的ω、Ni3Ti和X相，且其析出相含量明显少于AT样品。纳米析出相使得热处理样品中18Ni300马氏体时效钢层硬度明显提升，但316L不锈钢层的硬度与增材试样一致。由于析出强化，AT和SA样品的极限抗拉强度分别提升至1360±50 MPa和1473±41 MPa。在SA样品中316L不锈钢层发现了大量的应力诱导马氏体相，使得热处理样品的塑性得到提升。
文章亮点
1.系统研究了热处理工艺对非均质异质叠层合金的影响规律；
2.实现了异质叠层合金硬质区域组织与性能调控；
3.揭示了异质叠层合金316L区域的应力诱导马氏体相变增韧效应。
图文解析
图1 增材过程示意图，（a）CMT-WAAM增材制造系统，（b）异质叠层合金结构、增材策略及增材试样，（c）热处理工艺曲线，（d）拉伸试样尺寸和内部结构。
采用CMT-WAAM双丝增材制造平台开展了异质叠层合金的制备，硬质18Ni300 MS和软质316L SS的层数占比为3:1。在增材完成后分别采用时效处理（500 ℃ 4h）和固溶+时效处理（900 ℃ 30 min，500 ℃ 4h）对异质叠层合金进行热处理，揭示热处理对异质叠层材料组织和力学性能的影响规律。
图2 异质叠层合金YZ平面沿Z方向的成分变化，（a-b）3rd 18Ni300 MS层到316L SS层的线扫描结果和Cr元素变化，（c-d）不同18Ni300 MS层的线扫描结果和Cr元素变化。
结果表明异质叠层合金中18Ni300 MS和316L SS交替沉积会使得成分偏离丝材成分，这是由丝材熔化-前一沉积层重熔-熔池混合导致的。异种材料交替沉积引起的成分变化也会影响到同种材料沉积，使得同种材料沉积层间也存在成分波动。
图3 增材试样的EBSD测试结果，（a-b）区域I的相分布图和IPF图，（c-d）区域II的相分布图和IPF图，（e-f）区域III的相分布图和IPF图，（g）图例及采样坐标系。
图中结果表明，异种叠层合金不同沉积层之间组织差异较大，其中316L SS层是由粗大的奥氏体柱状晶组成，18Ni300 MS区域则是由柱状组织内的板条马氏体和柱间奥氏体相组成。18Ni300 MS层中奥氏体相总含量随着与316L SS层的距离增加而减少。
图4 时效处理试样的EBSD测试结果，（a-b）区域I的相分布图和IPF图，（c-d）区域II的相分布图和IPF图，（e-f）区域III的相分布图和IPF图，（g）图例及采样坐标系。
图中为时效处理样品的EBSD测试结果，图中晶粒取向特征与增材试样一致，说明时效处理对于异质叠层合金的晶粒取向特征影响不大。在图中并未发现Ni3Mo、Fe7Mo6、Ni3Ti、Fe2Mo、CoMo等析出相，其主要原因在于时效处理后的析出相尺寸远小于EBSD的测试步长，从而难以检测到。
图5 固溶+时效处理试样的EBSD测试结果，（a-b）区域I的相分布图和IPF图，（c-d）区域II的相分布图和IPF图，（e-f）区域III的相分布图和IPF图，（g）图例及采样坐标系。
经过固溶+时效处理，异质叠层合金中316L SS层的组织并未发生变化，2nd和3rd 18Ni300 MS层的奥氏体相含量相较于增材试样明显减少。18Ni300 MS层原有的柱状结构消失，观察到类似等轴晶粒的组织特征，且组织中马氏体相尺寸明显的增加。
图6 时效处理样品的TEM图像，（a1-a3）明场像及相应的电子衍射花样，（b1-b3）析出相的明场像、暗场像和HAADF STEM图像，（c1-c4）b1图像的面扫描结果，（d1-e3）析出相高分辨图像和FTT滤波图像。
在时效样品马氏体相晶粒内发现了大量的针状和椭球状析出相，而奥氏体相中则并未观察到析出相。针状析出相中的Ni元素明显富集，但Fe元素含量相对较少；椭球状析出相中的Mo和Ti元素含量明显的高于针状析出相。通过对高分辨图像的标定能够确定，针状析出相为ω相，椭球状析出相为Ni3Ti、Fe2Mo和X相。
图7 固溶+时效处理样品的TEM图像，（a1-a2）明场像及相应的电子衍射花样，（b1-b4）a1图像的面扫描结果，（c1-d3）析出相高分辨图像和FTT滤波图像。
固溶+时效处理样品析出相不同于时效处理样品，其中针状析出相为FeNi2相，椭球状析出相为ω相、Ni3Ti相和X相，且其析出相含量低于时效处理样样品。
图8 不同条件下的显微硬度分析，（a）YZ平面沿着Z方向的硬度分布情况，（b）不同区域的显微硬度对比。
图中能够发现热处理对316L SS层的硬度影响不大，但显著提升了18Ni300 MS层的显微硬度，使得不同区域显微硬度差异增大。时效处理样品的硬度会高于固溶+时效处理样品，是因为时效处理样品中纳米析出相含量更高。
图9 不同条件下的拉伸性能，（a）工程应力-应变曲线，（b）加工硬化曲线。
由于18Ni300 MS层产生了大量的纳米析出相，热处理后能够显著的提升异质叠层材料的屈服强度和极限抗拉强度，但塑性也出现了下降。对比两种热处理工艺的拉伸性能结果发现，固溶+时效处理试样的强度和塑性均高于时效处理样品。
图10 拉伸后试样的EBSD测试结果，（a-b）增材试样的相分布图和IPF图，（c-d）时效处理试样的相分布图和IPF图，（e-f）固溶+时效处理试样的相分布图和IPF图，（g-h）固溶+时效处理试样中奥氏体相和马氏体相的极图和ODF图φ2截面，（i）图例。
通过对拉伸后的试样进行EBSD分析发现，在变形过程中316L SS区域由原先的全奥氏体相转变为奥氏体+马氏体相组织，马氏体相含量随着与断口距离的增加而减少，说明了316L SS区域的马氏体相是由应力诱导产生的。固溶+时效处理试样中的应力诱导马氏体相含量明显高于增材和时效处理试样，这使得316L SS层的强度增加，延缓了颈缩产生和横截面减少，有利于塑性的提高。
全文小结
1.采用增材制造能够制备异质叠层合金，外延生长的原始奥氏体晶粒会延伸至不同沉积层；
2.时效处理对晶粒取向特征影响不大，但固溶处理能够消除18Ni300 MS层粗大的原始奥氏体柱状晶；
3.时效处理促进了纳米析出相产生，提高了18Ni300 MS层的硬度；
4.异质叠层合金中软质316L SS区域的应力诱导马氏体相产生能够促进整体强度和塑性的提高。
论文引用信息:
Pan, MC., Xu, JQ., Peng, Y. et al. Effects of heat treatment on microstructures and properties of a heterostructured alloy with dissimilar components fabricated by WAAM. Rare Met. (2024).
https://doi.org/10.1007/s12598-024-02854-y
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通过3D打印-增材制造技术，特别是选区激光熔化金属3D打印技术（SLM）带来了下一代热交换器的制造，譬如以热管形式的针状翅片代替了常规针状翅片板式热交换器中的针状翅片。当前的针翅式热交换器适用于各种各样的热管类别，包括回路热管、毛细管泵热管、脉动热管、可变电导率热管、旋转热管和吸附热管。
本期，通过聚焦近期国内在微通道热交换器增材制造及设计方面的实践与研究的多个闪光点， 与谷友一起来领略的这一领域的研究近况。
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增材制造高性能微通道换热器
模块化单元传热与压损实验
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吕玥萱、肖克华、饶宇
上海交通大学机械与动力工程学院
摘要：
面向微型燃气轮机能效提升迫切需求，针对其回热循环工况设计了一款适合应用增材制造技术加工的高性能微通道回热器。结合逆流式换热器的基础研究与金属增材制造的特点，设计了模块化的波纹板微通道换热器单元，采用激光选区熔融技术(SLM)完成不锈钢样机加工，并使用自行搭建的实验系统对其进行了性能测试。样件具有52个高度为0.7 mm的换热微通道，紧凑度超过1700 m2/m3。实验测试表明，该增材制造换热器在相对压损小于2%的条件下，平均Nu数相比传统方式加工的平板原表面换热器可提升88.9%，其关键性能参数在现有紧凑式换热器中具有先进性。
电力电子器件用液冷
针翅散热器的研究进展
田小飞1,2,3王林山1,2,4,3,5梁雪冰1,2,4,3,5郑逢时1,2,4,3,5胡强1,2,4,3,5
1.中国有研科技集团有限公司金属粉体材料产业技术研究院2. 有研增材技术有限公司 3. 北京有色金属研究总院4. 有研粉末新材料股份有限公司5. 北京市金属粉末工程技术研究中心
摘要：
随着大功率电力电子器件（如绝缘栅双极型晶体管，IGBT）轻量化、小型化和集成化的发展需求，其功率密度越来越大，导致其热流密度越来越高，亟需高效散热来满足其使用要求。传统空气冷却散热器结构简单、使用方便，但是散热能力较低，难以满足高热流密度的散热需求，目前主要采用液体冷却散热器，其中液冷针翅散热器是最常用的高效散热方式。本文介绍了液冷针翅散热器的结构、液体工质、材料和制造等方面的研究进展，重点分析了液冷针翅散热器的流体通道结构、针翅结构对流动和传热性能的影响，并给出了液冷针翅散热器的发展建议。
带肋复合微通道换热器内
流动传热性能研究
赵浩腾、崔凯路、张子涛、吴越、何坤、晏鑫
西安交通大学能源与动力工程学院
摘要：
为探究微肋与二次通道复合结构对微通道换热器流动换热性能增强的影响机理，采用数值方法研究了不同雷诺数下6种带肋复合微通道换热器内的压降、流场结构、摩擦系数、基底温度、相对努赛尔数和综合流动换热性能，并与矩形光滑微通道和无肋二次通道微通道的流动换热性能进行了对比。研究表明：在流动特性方面，引入二次通道结构对微通道内的压降损失和相对摩擦系数没有影响；但引入微肋结构会产生节流效应并诱发漩涡结构，导致微通道内的压降损失增大3～10倍。在传热特性方面，引入二次通道结构能够强化换热，在二次通道结构基础上增加微肋结构能进一步增强微通道换热器的传热性能。相比于矩形光滑微通道和无肋二次通道微通道，复合微通道换热器的基底温度最高下降13.52 K，相对努塞尔数最高增大35.36%。在综合性能方面，对于所研究的6种带肋复合微通道换热器，前三角肋复合微通道具有最优的流动传热综合性能，并具有高流速、低泵功、低热阻等优点。
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微通道换热器
拓扑结构优化与性能研究
陈彦松、阮达、刘渊博、郑通、张帅帅、马学虎
辽宁省化工资源清洁利用重点实验室
摘要：
换热器结构拓扑优化可将传热强化设计问题转化为数学优化问题进行求解，对于设计新颖高效换热器具有重要价值。然而，拓扑优化数学模型难以直接解释优化结果的几何特征及相应强化机理。以传热量为目标，对微通道换热器进行拓扑优化设计，研究了不同参数对换热器强化结构特征和换热器性能的影响。结果表明，拓扑优化换热器的通道结构呈现多级分叉构型，分叉的数量随着入口Re数、翅片传热效率和流体Pr数的增大而增多。在此基础上，采用(火积)耗散和边界层理论分析了拓扑优化分叉通道与流体边界层厚度的内在联系，为换热器结构强化设计提供了新的思路。
电子芯片弹热制冷式
热控系统的数值模拟
赵志明1刘奇1蒋翔俊2董兴琨2邹吾松3张笑凡3
1.陕西科技大学机电工程学院2. 西安电子科技大学机电工程学院3. 中国航空工业集团公司雷华电子技术研究所
摘要：
电子行业的迅猛发展使电子设备的热流密度急剧攀升。高效的散热方法，能够显著降低设备的工作温度，提升其性能并延长使用寿命。为进一步降低芯片的最高使用温度，提出一种基于形状记忆合金(SMA)弹热效应的电子芯片热控方法，即将卸载过程中产生的冷能通过流体介质输送至具有良好散热性能的电子芯片微通道散热器热控系统中。利用FLUENT软件，分析三维条件下系统的传热特性。
结果表明：冷却后的传热流体进一步降低芯片的最高温度达5.5 K，微通道散热器性能提高约10.7%。经参数分析发现，提高制冷系统的循环频率和冷却液体积流量可以显著提高其制冷能力，循环频率为0.25 Hz和0.33 Hz时分别可提高68%和92%。
歧管式射流微通道
液冷散热性能研究
刘帆1张芫通2陶成1胡成玉2杨小平2魏进家2
1.中兴通讯股份有限公司2. 西安交通大学化学工程与技术学院
摘要：
随着信息技术进步，芯片向大面积、高功率方向发展，对热管理提出了严峻挑战。微通道液冷能够解决高功率芯片散热难题，但传统平直微通道热沉流阻大、温度均匀性差。本文提出了一种耦合歧管式进出液结构、分布式射流和微针翅的新型歧管式微通道散热器，在平均热通量高于330 W/cm2，总功率达到2500W时，芯片平均温度低于70℃，实现了高效散热。通过数值模拟发现：降低散热器射流腔高度可显著强化传热，但整体压降也随之陡升，存在一个最佳射流腔高度；散热器底板的微针翅尺寸及其与射流腔的相对尺寸是新型歧管式微通道散热器的重要结构参数，微针翅的存在并不是绝对有益于传热强化。定义了微针翅与射流腔之间相对高度的无量纲参数—翅占比，存在临界翅占比使得阻碍效应和强化效应相抵消，当翅占比高于这一临界值时，才能达到强化换热的效果。研究为新型歧管式微通道散热器的设计提供了指导。
微通道散热器结构
的拓扑优化设计
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朱建全
东北电力大学
摘要：
微通道散热器其结构简单,易于封装且具有高效的换热能力等特点被广泛的应用在航天、航空、医学器材以及微小电子设备领域。但是随着电子设备在微小体积内集成程度的逐渐升高,其高热流密度对电子设备的安全高效运行提出了更严格的考验。对于更高的热流密度和更小的散热空间问题已经成为了电子设备高效率散热技术面临的难题之一。为了保证微电子设备在工作中的稳定性和可靠性,高效且可靠的设计方案显得尤为重要。因此,本文采用拓扑优化设计的方法应用于微通道散热器的结构设计中,基于有限元法分析流固共轭传热过程,建立多目标拓扑优化模型,对不同进出口方式和不同入口条件的散热问题进行了拓扑优化设计及数值仿真分析,并进行三维模型构建,进而验证其有效性。主要包括以下几部分内容:首先,构建了四种不同单进口-单出口布置方式的几何模型,以平行进出口布置方式为例探究流体体积分数占比对拓扑优化构型的影响,进而以最佳的流体体积分数占比为约束进行后续的计算。然后,采用不同的雷诺数为变量,以最大化换热为目标函数,求解了均匀热源分布下通道的优化设计问题,得到了清晰的通道结构。接下来对换热性能最好的两种进出口布置方式以换热量最大化和流体能量耗散最小化为双目标函数进行加权。
结果表明:随着权重系数值的不断增大,整个设计域的平均温度逐渐降低,与此同时进出口压降却随之增大。其次设计了四种双进口-双出口布置方式的微通道换热器,分别以换热量最大化作为单目标函数以及换热量最大和流体能量耗散为双目标函数进行拓扑优化。以不同的雷诺数为变量,求解了均匀热源下通道分布的优化设计问题,得到换热性能最优的两种结构。对上述换热性能最优的两种结构采用双目标函数加权方法进行拓扑优化。结果表明:随着权重系数的逐渐增大,设计域内的流道分支结构逐渐增多,流道宽度变窄,换热面积增大,使得设计域平均温度降低,与此同时进出口压降也显著增大,这是因为在优化过程中换热量所占比重增加时,必须以压降损失为代价。
最后,为了验证利用拓扑优化方法得到模型的换热性能,选取双对角平行进出口布置方式结构在权重系数值取0.4时的通道结构模型,将其构建成三维流道结构。通过数值仿真计算与传统直通道进行对比,通过分析压降、努塞尔数、热阻及设计域最高温度效果。结果表明:在相同入口流速下,拓扑优化构型的平均温度、最高温度,热阻均低于传统直通道,努塞尔数高于传统直通道。另外,其压降也小于传统直通道。因此利用拓扑优化设计方法得到的流道结构综合换热性能更优。
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NASA在2018年6月25日发布的研究报告Urban Air Mobility Airspace Integration Concepts and Considerations中定义了UAM（Urban Air Mobility）——大都市区安全高效的有人或无人的空中交通运营系统。UAM将为缓解城市交通拥堵问题提供新的解决方案。根据势能资本，摩根士丹利研究报告中对UAM市场规模进行了预测，从城内客运、城郊客运、最后一公里货运、短距离航线和国防这5个场景测算UAM的市场规模，到2030年，全球UAM的TAM（Total Addressable Market）将超过550亿美元。到2040年和2050年，全球UAM市场规模将分别达到1万亿美元和9万亿美元。报告中还预测了不同细分市场在未来所占的比重。到2040年，客运和货运公共交通占比将达到52%，私人飞行器及共享飞行器占比将达到46%，而军事/政府和民航线路的占比则分别为1%和2%。eVTOL电动垂直起降飞行器及共享飞行器将会是未来UAM领域的核心。
电子元件通常位于有限的环境中，因此需要紧凑且富有创意的热管理解决方案。这在小型电动垂直起降飞机的有限空间中尤为重要。3D打印-增材制造可以创造出传统方法很难实现的独特形状，为了冷却大功率电子产品，在这方面，根据 的市场观察，目前国际上Conflux可以设计和制造包裹逆变器等组件的定制冷板，还可以在任何几何形状或位置形成冷却剂回路的端口和连接，以最好地将整个组件封装在车辆内。
根据 ，这些电动垂直起降 (eVTOL) 飞行器的核心是电动动力系统。由锂离子电池以及产生必要的升力和推进力的高性能电机和逆变器组成。目前正在开发各种不同的动力系统概念，但它们都面临着高功率和高压电子设备带来的相同热管理挑战。
2021年AAM 飞机订单超过 6,850 架，相当于销售额约 240 亿欧元
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换热器3D打印
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热管理在eVTOL飞机中的重要性
管理飞机推进系统中电子元件产生的废热对于eVTOL飞行器的性能至关重要，电池系统只能在狭窄的工作温度范围内有效工作，因此需要预热和冷却，此外，电机内的电阻和磁滞损耗会产生热量，从而损坏磁体和绕组，而逆变器中的碳化硅如果太热也会降解。
对于飞机，特别是小型、轻型电动垂直起降飞机，质量和推进系统效率对于实现高航程和有效载荷能力至关重要。因此，这些电动动力总成部件需要通过极其轻质和紧凑的热管理系统进行有效冷却。
有两种冷却电子设备的方法；直接和间接冷却。直接冷却是指流体与浸没在介电流体中的电气元件直接接触。这样可以立即从热源中提取热量并且不存在热阻。然而，淹没电子设备会显着增加重量，这对于飞机来说是不希望看到的。
另一方面，间接冷却使用包含流体通道并连接到电子元件的金属散热器。这通常是使用风扇使空气通过散热器循环来冷却 PC 和笔记本电脑内组件的方式。然而，通过空气冷却可以散发的热量非常有限，并且需要较高的质量流量。
另一种方法是通过液体来冷却，根据Conflux，液体比空气密度更大，这增加了其冷却能力。特别是水的传热性能及其低粘度使其成为电子设备的最佳冷却剂。它的热容量通常是介电流体的两倍，这就是为什么间接冷却解决方案（例如用水冷板液体冷却）在散热方面更有效，而且不会增加太多质量。
什么是冷板换热器？
冷板式液冷主要通过冷板(铜、铝等高导热金属构成的封闭腔体)将元器件的热量间接传递给封闭在循环管道中的冷却液体,然后利用冷却液体将热量带走,其通过工作流体的传递特点将中间热量运输到后端进行冷却。
液体冷板是金属散热器，由闭路液体冷却系统组成，该系统将水泵入冷板内的微型通道，然后输送到热交换器。它们可以直接连接到电池或电机的定子上，并允许热量从部件通过金属结构传递到冷却剂，冷却剂通常是水或水-乙二醇混合物。
冷板特别适合电子产品，因为它们可以利用水的热容量优势，同时将流体保持在密封系统中，避免短路。内部和外部几何形状还可以设计成最大限度地减少热阻并减少紧凑封装中的压降，这是3D打印-增材制造技术正在引起的革命性变化。
冷板是如何制造的？
电子元件通常采用风扇和散热器进行风冷，但对于较热的应用，例如游戏电脑和电动动力系统，则使用间接液体冷却。
传统上，冷板由铝制成，因为铝重量轻且热性能良好。板内的冷却通道通常通过将两块板搅拌焊接在一起而形成，其中所需的流动细节已经被压制或机械加工。然而，这些焊接接头增加了泄漏风险，而且热效率低，因为不均匀的接头可能会导致气隙，气隙充当绝缘体，而不是导体。
根据Conflux，焊接结构是传统冷板面临的挑战之一，泄漏的风险是有问题的，而且通常无法创建复杂的内部结构。而通过3D打印-增材制造技术，无需焊接或钎焊，因此可以直接拥有一个没有焊接接头的整体部件，因此不会泄漏。使用粉末床激光熔融 (LBPF) 增材制造工艺来制造具有复杂几何形状的铝冷板，这是传统方法无法制造的。该过程使用光纤激光器选择性地熔化一层细金属粉末。然后降低3D打印平台，并涂上另一层粉末，通过激光逐层熔化，零件逐渐形成完整的3D几何形状。
设计有效的冷板
实现高传热效率
冷板设计性能的关键是热阻，这决定了热量在系统中的传递情况。对于冷板，目标是降低金属结构的热阻，以便将最大量的热量从热源传递到冷却剂。
理论上，最小热阻需要冷板结构的厚度为零，但实际上，冷板既提供结构又提供冷却，因此在强度、刚度和可制造性的限制内，需要尽可能薄的壁。
传统制造方法的优点之一是它们可以通过机械加工或车削技术生产极薄的壁，但增材制造技术现在已经非常接近实现相同的壁厚。
增材制造还具有创造具有复杂内部几何形状的新颖形状的优点，这是任何其他方式都无法创造的，这使得冷板的内部结构可以设计成增加表面积并补偿墙壁的热阻。
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翅片、销和螺旋结构都可以合并到冷板设计中，不仅增加表面积，从而增加散热，而且还可以优化流体的流动行为。通过引导流动并使用几何形状来引发湍流，可以将冷却剂引导到母线接头等较热的区域，同时混合流动以更有效地散热。
在锂离子电池中，模块内的非结构性袋状或圆柱形电池通常粘合到提供支撑和直接冷却的冷板。
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冷板的内部设计对冷却系统的其他元件有直接影响。液体冷却剂回路的压降决定了泵的尺寸和能量需求。高效的设计意味着更小的泵、更轻的质量以及更低的电池系统能量消耗。
总体而言，增材制造的能力正在推动冷板冷却技术向前发展，以满足电动垂直起降 (eVTOL) 飞机先进空中交通领域的新需求。
知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络， 为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注 发布的白皮书系列。
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铜具有高导热性、导电性和可加工性等优良的物化性能，被广泛用于航空航天、汽车和电气领域。特别是在热换器的制作上，铜是主要原材料之一。目前，传统热换器大多是由翅片及盖板组成的方型结构。其体积和重量较大，制造过程比较繁琐，组装需要将非常细的管钎焊到歧管上，在高压应用中的大量泄漏情况时有发生。只能实现简单的介质通道形态/路径。较为复杂的通道容易造成介质流动阻力增大和流动死区的现象，导致散热率大幅降低。
传统工艺制造铜热换器（来源网络）
3D打印具有传统制造技术无法比拟的优势，可以针对流动性和传导性进行优化，满足了产品趋向紧凑型、高效性、模块化、多材料的发展趋势。传统热换器制造方式的阻碍将得到有效解决。3D打印技术让关键散热器结构不再局限于翅片形态，工作区域的形态也可以由简单的方型变成配合设备/零件的包裹型结构。此外，零部件可一体成型而无需大量的焊接工艺，且整体结构更为轻便。介质通道可以伴随零部件一体成型，具备路径复杂、接触面大、热交换率高等优势。3D打印制造使冷却通道摆脱了交叉钻孔的限制。可以设计内部通道更靠近模具的冷却表面，并具有平滑的角落，更快的流量，增加热量转移到冷却液的效率。且在提供更优散热效率的同时，缩减制造工艺步骤和降低成本。
PEP推动纯铜热换器制造走向新台阶
升华三维的粉末挤出3D打印技术（Powder Extrusion printing，PEP）是一种独创的金属/陶瓷颗粒材料间接3D打印工艺。采用颗粒材料熔融挤出方式，实现金属/陶瓷产品无模具化制备，可节省模具开发成本和时间成本。在得到具有一定密度和强度的生坯后，再利用成熟的金属/陶瓷粉末注射成形技术（PIM）的相关工艺对产品进行脱脂和烧结，获得性能一致且优良的产品。PEP工艺在纯铜3D打印上具有独特的优势，曾一举填补了国内空白，目前已应用于如冷却通道、液体分布器、过滤器等热换器等产品的开发和生产中。
PEP工艺具有低温成型，高温成性的特性。在3D打印纯铜部件时不需要高能激光束，可有效减少制造投入成本。通过先3D打印生坯，然后再经过成熟的粉末冶金脱脂和烧结工艺，得到结构优良的高性能纯铜部件。在纯铜热换器件的制备上，PEP技术独特的工艺方式可有效规避纯铜激光3D打印带来的高反射率及内部微观晶格结构打印完成后复杂的清粉工作，且可更好地适配传统纯铜制品制造的烧结等工艺，形成良好的互补。将推动热管理应用走向新台阶。
PEP工艺制备的纯铜热交换器件（来源：升华三维）
升华三维为纯铜散热领域提供创新解决方案
据公开资料称，2022年全球热换器市场规模约为696亿美元，同比增长2.35%，预计2023年市场规模达到714亿美元。据贝哲斯咨询预计全球金属热换器市场规模在预测期将以8.42%的CAGR增长并预估在2028年达1659.86亿元。而全球3D打印市场规模近年来也呈现出快速增长的态势，特别是在航空航天、汽车制造、医疗器械、电子信息等领域的应用也越来越广泛。随着5G、人工智能、物联网等数字技术在这些领域的发展，热换器的需求也将不断增加。由此可见未来随着3D打印技术的不断推广和热换器应用的拓展，3D打印热换器市场规模也将会不断扩大。
资料来源：公开资料，华经产业研究院整理
3D打印技术为制造热换器带来了更多可能，随着散热技术研究的深入，以及３D打印在热管理市场的开发和应用，热换器的性能和可靠性将得到了极大的提升，这将推动整体热管理行业的快速发展。升华三维现已建成了完整的金属/陶瓷间接3D打印前后处理工艺，涵盖了材料开发、打印材料、密炼造粒机、3D打印机、脱脂烧结炉等全工艺链设备，可提供高性能的间接3D打印整体解决方案。在纯铜热管理方向上，升华三维将持续发挥PEP技术独特优势、挖掘技术潜力，拓展更多应用市场，为散热领域提供创新解决方案。
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学术界和工业界目前正面临新一代换热器的设计和生产的挑战，借助创成式设计、拓扑优化和CFD建模等先进工具，能够优化热交换器的形状，保证热交换器更轻、性能更高，并定制组件的机械和腐蚀特性。
增材制造实现薄型复杂特征的能力可以通过生产紧凑的热交换器来彻底改变航空航天领域，增材制造热交换器具有高效率和更轻的重量，但尚未成熟。L-PBF选区激光熔融金属3D打印目前作为一种制胜策略正面临新一代换热器设计和生产的挑战，在科学领域是一个备受争议的话题，因为许多技术限制仍需要克服。
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结合《Additive manufacturing of heat exchangers in aerospace applications: a review》这篇论文， 将分享航空航天应用中热交换器3D打印的当前机械性能与热处理相关的内容。
3D打印换热器的主要材料
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根据 ，热交换器将是下一个产业化领域。而究竟3D打印将在热交换器的产业化方面达到怎样的影响力和覆盖面，这不仅仅取决于3D打印设备，材料的价格，还取决于工艺质量是否能够达到一致可控，以及标准与认证的完善，而最重要的是如何从设计端获得以产品功能实现为导向的正向设计突破以及对后处理、产品机械性能的预测与控制。
下一代热交换器的机遇与挑战
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首先，用于制造具有薄壁特征的防漏件的工艺参数的优化需要高度的可靠性且可重复性。此外，尚未全面了解L-PBF选区激光熔融金属3D打印工艺参数对制造的热交换器的表面粗糙度、微观结构和密度的影响。此外，仍然需要仔细分析选择合适的 L-PBF用材料，以制造高质量的组件，保证可重复性、再现性和可追溯性。
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增材制造仍然是热交换器生产的新兴技术，资格鉴定和认证对于促进3D打印热交换器的应用至关重要。 《3D打印热交换器的资格与认证》一文分析了在产品质量认证范畴中，有两个容易混淆的概念-资格（QUALIFICATION）与认证（CERTIFICATION），而实际上两者是有区别的。资格是生产认证产品的基础，就增材制造而言，意味着整个增材制造工艺流程（包括系统/平台，工艺和材料）都需要经过一定程度的鉴定，才能生产出符合标准、设计规格和最终用途性能指标的认证零件。
实现设计与制造的一体化、可扩展化，这方面EOS发布了《重新构想热交换器》白皮书，白皮书中分享的热交换器设计和生产优化是在无缝数 字 工 作 流 程 中 进 行 的 ， 由 SIEMENS Digital Industries Software 解 决 方 案 提供支持 。制造过程中的打印控制通过EOS 的Smart Fusion（闭环智能熔融） 技术可以减少对支撑结构的需求 ， 而 EOS Additive Minds 顾问则凭借丰富的经验帮助客户定制LPBF工艺参数以满足应用要求 ， 避免工艺效率低下。本白皮书还强调了工艺参数的重要性 ， 良好的工艺参数可 减少设计变更，甚至完全无需设计变更，因此可以大幅度减少成本。
机械性能
由于L-PBF选区激光熔融金属3D打印工艺产生独特的柱状微观结构，添加剂成分对机械性能的影响仍然是研究的主题。具体而言，标准的缺乏给准确表征通过增材制造技术制造的材料带来了挑战。因此，科学界尝试使用多种方法来满足分析和解释机械性能的需求，通过多项研究分析了构建方向对拉伸力学性能的影响。
表：收集并列出了增材制造材料和传统铸造材料之间机械性能的比较评估。
l 耐腐蚀
增材制造材料的腐蚀防护机制具有重要意义，表面粗糙度、微观结构和后热处理对于提高材料的腐蚀性能至关重要。对于热交换器来说，高质量的表面或抛光表面处理有助于降低空气和海洋环境中的腐蚀速率，但对于高度复杂的几何形状和内部特征来说很难实现。
对于热处理，不同的温度和时间以及热处理的类型（固溶、时效等）会导致不同的性能，从而导致不同的腐蚀性能。科研领域对AlSi10Mg铝合金进行了大量研究，因为它是使用和研究最广泛的铝合金，而对于其他铝合金，目前却很少有研究发现。
增材制造材料还可采用其他防腐蚀机制，铬酸盐转化涂层（CCC）已被普遍用作表面处理工艺，但由于六价铬化合物的毒性和致癌作用，它们很快就必须被取代。铝阳极氧化是一种利用电化学反应在金属材料表面生成保护性氧化层的过程。等离子体电解氧化（PEO）是近年来最常见和使用的。
后热处理的影响
铝合金的后热处理旨在消除各种制造缺陷和杂质，获得再结晶并改善材料在生命周期中的机械性能和行为。铝合金通常先进行固溶和淬火处理，然后进行人工时效处理。固溶处理涉及将材料保持在高温下，以使合金元素在基体中扩散。随后通常进行水淬，水淬涉及快速冷却，以获得合金元素的过饱和结构，这会显着影响处理的成功。如果未能控制硬化介质的温度和浸入速度等因素，可能会导致因孔隙生长而形成内部气泡，并导致永久变形。
最后，时效处理包括材料的中长期持久性和中低温，以允许强化相沉淀并提高部件的最终机械性能。最常见的铝合金后热处理是 T6 和 T7 热处理，特别是，与 HT T6 相比，HT T7 涉及时效步骤，其特点是温度更高、持续时间更短，以实现显着的晶粒生长增加了材料的抗蠕变性。
图 12. 按照 ASM 手册标准铸造铝合金的常规热处理。
虽然对于 AlSi10Mg 和 A20X™ 合金，通过铸造制造的相应传统材料的标准热处理是已知的，但对于 Scalmalloy® 合金来说，标准热处理不存在。因此，对该合金进行了专门的热处理研究，建议的热处理包括在 325 °C 温度下进行4小时的单一步骤。
L-PBF激光粉末床熔融3D打印制造的铝合金的机械性能：竣工材料与热处理之后的材料之间的差异
研究发现在适用于增材工艺生产的AlSi10Mg合金的常规热处理中，消除应力在工业领域应用最多。处理通常在300℃左右的温度下进行2小时，保证更好的延展性和抗疲劳性，但机械性能会恶化。
许多研究强调了L-PBF选区激光熔融金属3D打印铝合金的标准后热处理的不适用性，因为它会导致材料的机械性能（例如硬度和拉伸强度）下降。因此，对新的定制化后热处理的评估正在进行中，以调整铝合金的微观结构和最大化机械性能。
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L-PBF选区激光熔融金属3D打印是一个复杂的过程，特别是，制造高质量、无缺陷的薄壁或通常厚度小于 200-300 μm 的薄特征非常充满挑战。此外，冲压等传统制造方法已证明能够制造典型厚度范围为46至200 μm的板翅结构。
然而，当前增材制造尚未达到大规模生产开发高性能换热器所需的这些关键属性所需的技术成熟度和生产质量。热应力会导致薄部件出现裂纹和完全破损。此外，在以复杂几何形状为特征的薄截面管道的情况下，管道的可行性可能会因附着于内壁的粉末的夹杂物而受到损害。这转化为内表面粗糙度的增加和热交换性能的降低。此外，在设计通过增材工艺制造的组件时，还必须考虑增材工艺自身的局限性。
结合《Additive manufacturing of heat exchangers in aerospace applications: a review》这篇论文， 将分享航空航天应用中热交换器3D打印的当前技术挑战。
3D打印换热器的优势
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根据 ，换热器与散热器对设备可以长效稳定运行起到了关键的作用，3D打印用于换热器和散热器的制造满足了产品趋向紧凑型、高效性、模块化、多材料的发展趋势。特别是用于异形、结构一体化、薄壁、薄型翅片、微通道、十分复杂的形状、点阵结构等加工，3D打印具有传统制造技术不具备的优势。
换热器的薄壁特征制造
当前L-PBF选区激光熔融金属3D打印尚不适合保证薄壁生产的可重复性。特别是，精度误差随着制造部件的厚度尺寸的减小而增大，已发现水平面和垂直面的截面之间存在显着的尺寸变化。此外，已经观察到，随着3D打印壁厚的增加，壁的变形减少。
图. L-PBF工艺参数对薄壁生成的影响；a) 工作中研究的几何形状的示意图；b) AM增材制造工艺不同扫描策略的示意图；c) 通过μSCT计算增材制造薄壁不同材料的孔隙率。
在一个研究案例中，根据所选参数，观察到主要在采用单一激光扫描方法时出现明显的熔合缺乏。研究的三种材料（即 Ti6Al4V、Inconel 718 和 AlSi10Mg）的壁厚均一致，约为 100 μm。此外，AlSi10Mg 和 Ti6Al4V 成功生产了 60° 的最大倾斜角，而 Inconel 718 只能实现 45° 的倾斜角。研究评估了每种扫描策略与热和收缩问题、倾斜角度和壁尺寸控制因素之间的相关性。使用CT扫描技术分析孔隙率，并开发与激光功率和扫描速度相关的薄壁制造工艺图。最后，对表面质量进行了分析，发现倾角与材料之间存在直接关系。
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研究显示了寻找最佳工艺参数以同时提高特征的尺寸精度和总体质量的挑战。因此，一般来说，通过L-PBF选区激光熔融金属3D打印工艺构建薄特征特别困难，并且仍然是科学界的一个挑战。
除粉
增材制造换热器的另一个重要挑战是复杂内部通道的清洁。在进一步的后处理操作和完成制造过程之前，需要去除通道中截留或烧结的粉末。大多数优化的换热器的通道没有开口或出口，因此粉末去除成为一个挑战。
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第一种方法可以设计通道连接点上的一系列孔，以便于在工艺结束时去除粉末。使用超声波技术清洁粉末，再通过激光束焊接封闭孔。
图 . 除粉方法。a）第一种方法：重新设计组件；b）第二种方法：使用后处理策略
需要注意的是粉末状的金属材料，其与水或空气接触容易发生反应，例如铝及其合金，铝与水反应产生氢气从而引起爆炸。科学研究发现，该反应的结果可能是气态氢的大量积累，即使是小浓度的材料。
特别是，对于通过增材制造生产的换热器，研究开发的注意力集中在表面粗糙度、微通道和薄壁、表面几何形状、层流或湍流行为、腐蚀以及最终的热效率。用于飞机发动机的换热器在 200 °C 左右的温度下运行，并且不会承受非常高的负载。因此，它们不需要高机械性能，但需要适合散热的表面和几何性能。随着增材制造工艺的技术进步，可以提高表面质量并实现小厚度的精度，不过目前距离完全掌握这些特性还有一定距离。
无泄漏
无泄漏特性对于在紧凑的高性能换热器中增加不同温度下两种流体之间的热交换至关重要 。增材制造减少了泄漏风险，因为它消除了组装各种薄型部件的制造步骤。然而，它也具有由于形成缺陷（例如孔隙率和层结合不充分）而可能造成损失的缺点。诸如孔隙和空隙之类的缺陷使得流体可以从这些薄弱的结构点中逸出，与第二液体混合。
特别是，考虑到薄特征的制造，一个小缺陷可能会损坏整个组件。尽管航空航天领域对薄型新型紧凑型换热器的兴趣日益浓厚，但泄漏问题的研究尚未引起科学界的关注。
了解到市场上开发了新系统，旨在通过连续过程消除3D打印材料内的内部孔隙，即所谓的真空浸渍系统。最初，将组件浸入树脂浴中，同时放置在高压釜内。随后，产生真空以排出部件中的空气，从而促进树脂进入空隙。
表面粗糙度被认为是金属增材制造生产的不同类型换热器配置中最重要的特性。粗糙度起着双重作用，因为它影响所产生的特征（管道、壁）的实际尺寸和流体的行为。通常，高粗糙度意味着制造尺寸与预期设计存在显着偏差，特别是当尺寸接近增材制造机器的制造极限时，与传统制造的翅片和通道相比，通道的高内部粗糙度会增加压降和湍流行为。
另一方面，传统制造和增材制造之间的传热性能在大多数情况下是相当的。低粗糙度可以改善热交换性能，并且还解决了不同材料（钢、铜和铝）的影响。根据研究，表面和材料都会影响传热和压降。许多研究的目标是优化增材制造技术的参数，以定制表面粗糙度的增材制造过程。
疲劳性能
增材制造材料的疲劳性能一直是广泛研究主题，微观结构、残余应力和表面粗糙度等多种因素都会影响任何材料的疲劳寿命。特别是，研究集中在增材制造中常用的特定金属和合金，例如钛合金、不锈钢、铝合金和镍基高温合金。
由多个复杂且薄的特征组成的换热器的疲劳行为受到其他几个因素的影响。高温下的循环载荷和升高的工作压力的结合可能会引起结构问题。 了解到近年来，热交换器疲劳的评估主要依赖于数值模拟。
此外，广泛的研究表明，表面粗糙度升高会对增材制造的薄特征的疲劳性能产生不利影响。然而，这些限制可以通过各种后处理处理来缓解，包括热等静压（HIP）、机械加工和热处理。然而，对增材制造工艺参数、微观结构、缺陷和后加工处理的影响的全面了解仍然不完整。正在进行的研究重点是进一步表征和增强金属增材制造薄特征的抗疲劳性和可靠性。
耐腐蚀性能
腐蚀是影响换热器的一个主要问题，腐蚀可能由多种因素引起，包括环境传导、使用的流体以及磨损和侵蚀。在换热器的使用寿命期间，腐蚀故障非常常见，并且维护和维修成本可能相当长且昂贵，特别是当涉及航空航天领域使用的空油紧凑型换热器，这些部件特别容易受到恶劣的环境条件的影响，特别是在海上和远洋航线上，高浓度的盐雾会加速金属的降解速度。因此，对腐蚀现象的研究以及对保护暴露表面的传统和创新方法的探索正在进行中。特别是，后热处理、表面精加工和涂层处理对增材制造材料腐蚀行为的影响现在得到了广泛的评估。
热处理
由于L-PBF选区激光熔融金属3D打印过程中的固有现象，所生产的部件需要进行后热处理以改善材料的性能。一般来说，通过增材制造生产的预制材料（热处理前）的显微组织和机械性能不如通过传统铸造或锻造制造技术生产的材料。AM增材制造工艺的特定热循环的特点是由激光引起的突然加热，然后是快速冷却和第二次熔化，同时涉及下一层以及下面和先前固化的层的重熔化。这些热循环在 L-PBF 工艺的每一层的形成过程中都会重复，并导致较大的热梯度，从而在组件上形成残余应力。如果达到的应力水平很高，则可能会发生零件几何形状的变形，从而导致产品损坏和故障。
使用后热处理来松弛残余应力仍然是科学和工业领域最常用的解决方案，增材制造后热处理会大幅降低位错密度，从而显着降低残余应力。
L-PBF选区激光熔融金属3D打印零件的热处理也广泛用于提高其他材料性能，例如机械性能以及耐腐蚀和耐磨性。对增材制造的材料进行后热处理可提供与传统材料相当甚至优于传统材料的性能。均质化和固溶处理使微观结构均匀，并使增材工艺典型的细长树枝晶晶转变为等轴晶粒。并且还允许偏析合金元素的扩散。通过时效处理，会形成沉淀物，这有助于提高材料的机械性能。此外，热处理过程中会发生氧化现象，在多种材料上形成保护性氧化层。这有助于提高耐腐蚀和耐磨性方面的性能。
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热交换器的热学问题非常复杂且难以解决。因此，需要进行许多尝试和努力来实现能够表现出更高效率和环保性能的轻质、经济高效的换热器。这些用于热交换器设计和开发的传统方法既耗时又昂贵。特别是 CFD 仿真，已成为一种经济高效的方案，可在换热器 的设计阶段提供快速解决方案。CFD软件用途广泛，可用于预测换热器的性能、识别潜在问题的区域以及优化换热器的设计。市场上存在许多建模软件可用于热分析，并且已经开展了大量工作来研究和分析模型的行为，以预测和优化换热器的热交换性能。
结合《Additive manufacturing of heat exchangers in aerospace applications: a review》这篇论文， 将分享航空航天应用中热交换器3D打印的建模与仿真技术进展。
用于航空发动机的传统换热器
© Meggitt Plc.
根据 ，长期以来，传统的建模方式和无法实现复杂几何形状的制造工艺，制约着热交换器设计与效率的突破，而面向增材制造的高性能复杂几何结构，以及高强度铝合金3D打印材料，为热交换器设计的突破带来了新的可能性。
使用优化设计3D打印生产的新型换热器。a) 3D打印的换热器（© Mott Corporation ），b) 3D打印的整体式换热器（© Stratasys ），c) 新一代传热组件（© Hyperganic）。
现状及未来方向
换热器的CFD模拟中最重要的挑战之一是准确预测流场，通常是湍流和三维流场。另一个挑战是准确预测传热率。换热器 中的传热速率受到多种因素的影响，包括流动条件、几何形状和流体特性。商用软件使用不同的方法来求解控制这些属性，但预测所有因素并不总是可以实现，并且可能导致换热器属性预测出现错误。
过去二十年来，人工智能（AI）在控制系统中的使用变得越来越重要。基于人工智能的技术可用于提高控制系统的性能，使其更加高效和可靠。还可用于开发传统方法无法实现的新型控制系统。人工智能和计算机科学模型，例如机器学习，可用于研究热交换器的性能，避免实验和耗时的计算方法。这些方法能够做出准确的预测并且相对较快，使其成为工程师的宝贵工具。
© 白皮书
利用人工智能技术和机器学习来预测和控制换热器的性能是一个有前途的研究领域，有可能改善换热器的设计、操作和效率。大量研究正在使用人工智能（AI）技术来预测和控制换热器的性能。人工智能技术可用于开发模型来预测换热器在不同操作条件下的性能。大量的信息可用于优化热交换器的设计并提高其效率。还可用于开发控制系统，自动调整换热器的运行条件，以确保它们以最佳性能运行。
© 白皮书
换热器建模和仿真的最新技术正在不断发展，新的模型和算法不断被开发和更新，以实现对热设备性能的更准确和详细的预测，并简化换热器中流体流动和传热的仿真工具。
增材制造领域的热管理优化工具
AM-增材制造技术的引入增加了拓扑优化和仿真软件等软件工具的使用，以增强换热器的散热性能。其结果是一种结构设计能够承受运行阶段施加的负载，最大限度地减少零件所需要的材料。拓扑优化和CFD软件被引入到高性能、轻型和多功能结构的设计阶段，目前广泛已经被应用于航空航天、汽车等领域的增材制造零件设计。
拓扑优化结构通常具有复杂的几何配置的特点，因此，传统工艺（例如机械加工、铸造）不适合其制造。增材制造能够实现轻质结构的自由设计以及一步步制造高度复杂的内部几何形状，这是传统制造方法难以或不可能实现的，不过由于存在典型的增材制造缺陷，例如气孔和缺乏熔合，为了使增材制造成为工业用换热器的可靠制造方法，仍需要克服重大工艺限制。
拓扑优化的使用有可能对热交换器 (换热器) 的设计产生重大影响，为提高换热器应用中的效率和性能提供了超越传统制造方法所能实现的机会。换热器优化的主要目标是最大化热效率和最小压降，同时保持紧凑的尺寸和重量。此外，近几十年来，更强大的有限元和计算流体动力学（CFD）的软件允许引入一些方法，这些方法与拓扑优化一起保证了换热器设计优化的整个决策阶段的整体性。
形状和特征优化算法的应用使得换热器的设计过程直观，有助于研究最佳解决方案。遗传算法旨在通过在遵守设计约束的同时最大化总表面积来提高热效率。这种算法新开发的换热器 的几何形状超越了传统制造方法的限制，并可以通过L-PBF基于粉末床的金属熔融3D打印技术来完成，材料选择铝合金。通过将增材制造的换热器与商用的传统方法制造的管状换热器进行比较，实验分析表明新优化的换热器的整体性能有了显着改善。
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此外，与专为实现更高传热效率而设计的管壳式和钎焊板配置等传统热交换器相比，优化后的3D打印换热器表现出增强的性能。性能的增强可归因于其内部架构，这是使用传统设计和制造方法无法实现的。
由Temisth、AddUp和 Sogeclair开发的一个典型案例代表了3D打印的突出优势。该项目 通过CFD模型研究紧凑型空油换热器的拓扑优化组件的热效率，所选材料为 Inconel 718，这种材料比铝合金等其他合金更重且导电性更差。通过增材制造这种材料如何能够创建排除泄漏缺陷的薄壁特征来证明3D打印的合理性。
图：新型换热器 的拓扑优化和 CFD 分析。a) 增材制造的部件；b) CFD 分析的边界条件；c) CFD 数值方法的各个阶段。
另外一个典型案例（如图所示）制造并测试了使用陀螺晶格结构的新一代液-液换热器，以证明增材制造能够创建以薄特征为特征的复杂几何形状。
图：新一代优化 换热器 的热方面优化分析示意图
换热器经证明具有防漏性能，凸显了 AM-增材制造工艺生成厚度为 300 μm 的薄壁的可行性。此外，与传统的 换热器 相比，新设计的热效率显着提高。
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下文章来源于热管理行业观察
服务器液冷板的内部结构对热传导效率有很大影响，最佳的设计可最大限度地扩大冷板与 CPU 或 GPU 等热部件之间的热交换面积，从而确保高效传热。
例如，冷板内部的微通道或鳍片可增强热量的扩散，从而实现更好的散热性能。冷板内的流动模式和湍流诱导特征经过精心设计，可确保冷却液有效吸收和带走热量。最大限度地增加接触面、增大表面积、优化流动模式并选择合适的导热材料，所有这些都能提高冷却性能。
3D 打印可在冷板内精确设计复杂的几何形状，如三周期最小表面 (TPMS) 晶格微通道和湍流诱导特征。这样就能创建复杂的定制结构，优化冷板内部结构与冷却液的换热。
另外，3D 打印技术利用复杂的模拟仿真，通过实现传统加工手段无法制造的精细结构，实现冷板内部结构对流量、压降、热阻、效率的多重优化。
案例1
Fabric8 Labs 公司正在使用“电化学增材制造”，简称 ECAM 技术来扩展传统铜冷板的设计。这种新的 ECAM 工艺使用先进的数学模型来找到铜翅片的理想形状和位置，从而使传热和液体流动更加高效。流道为带孔的超弯曲表面，壁厚仅几微米，可实现表面积和液体流动之间的完美平衡，从而大幅提高冷却能力，还能在相同的冷却水平上降低泵浦压力，从而降低能耗。
图：Fabric8 Labs 公司利用ECAM 技术实现精确复杂的冷板内部结构（图源：Fabric8 Labs）
案例2
不久前，著名的增材制造服务商 EOS 联合液体冷却技术 CoolestDC，使用 EOS 的 DMLS 增材技术与高密度 CuCP 材料相结合，实现了世界上第一个安装在服务器 CPU（AMD EPYC 7352 2.30 GHz）上的一体式无泄漏、无垫圈和无接头的 3D 打印冷板。
这种高度定制、内部流道优化的液冷板，得益于的 EOS 增材制造技术，可减少 30% 碳足迹和 29%-45% 能源消耗，并将 IT 设备的性能提高 40%，机架空间节省 20%。
图：采用 Oblique Fin 技术的 EOS 一体式 3D 打印冷板（图源：EOS）
案例3
致力于挖掘粘结剂喷射 3D 打印技术（BJAM）在热管理行业应用潜力的德亿纬（太仓），正在将他们特有的增材制造技术与服务器冷板和两相冷却毛细结构的未来需求相结合，寻找开启行业革新的钥匙。
德亿纬粘结剂喷射3D打印技术在热管理行业的开发案例（图源：德亿纬）
面临的挑战
3D 打印在热管理行业的发展前景正在被广泛认可，然而也面临着若干挑战：
- 材料选择：适合 3D 打印的高导热性材料范围有限，这可能会限制散热器和冷却组件的设计选择。
- 制造质量：实现精确一致的制造质量，因为打印质量的变化会影响组件的热性能。
- 模拟和优化：3D 打印带来的设计复杂性可能需要先进的模拟和优化工具，以确保最终产品符合热管理要求。
- 可靠性：3D 打印热解决方案在苛刻的高热环境中的长期耐用性和可靠性也令人担忧，这就需要进行全面的测试和验证过程。
- 成本与性能的平衡：采用一体式 3D 打印策略可以获得更可靠的性能和更低热阻，但在关键传热区域采取局部 3D 打印设计从而优化成本也值得考虑。
总之，克服这些挑战对于 3D 打印在热管理应用中的持续发展至关重要。
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储能是实现“双碳”目标的关键支撑技术，压缩空气储能被认为是颇具发展前景的大规模物理储能技术。压缩机作为储能系统中的关键部件之一，其性能对系统效率和经济性有决定性影响。多级压缩机中可调叶片扩压器作为变工况调节技术，可扩大压缩机的稳定工作范围，改善压缩过程中的气动性能，提高压缩效率。
为了探究可调叶片扩压器的调节机制，并揭示扩压器叶片在变工况下的载荷分布规律及扩压机理，中国科学院工程热物理研究所储能研发中心设计并采用3D打印增材制造方式加工了应用于100MW先进压缩空气储能系统压缩机的可调扩压器。该研究基于实际测试环境采用选区激光熔融工艺进行金属3D打印，有效缩短了传统工艺加工周期，并突破了内流引压通道加工瓶颈。加工完成的扩压器叶片部件通过了型面误差检测，确保其高精度。
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采用该新型3D打印增材制造可调扩压器，其叶片压力面/吸力面组件便于在整机运行环境下进行表面压力测量，且叶片前缘来流为带旋流真实流动，可真实反映扩压器实际工作状态。配合可靠密封结构，扩压器叶片能实现安装角度在线调节，便于在压缩机运行中开展变工况调节及测量。
图1.可调翼型扩压器设计
图2.可调扩压器金属3D打印组件
图3.可调扩压器测试实验台
该扩压器设计与制造相关研究成果已作为封面文章，发表在Journal of Thermal Science上。该新方法已授权发明专利1项，授权实用新型专利2项。
来源 l 中科院之声/ 中国科学院工程热物理研究所
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换热器广泛应用于航空、航天、核电、国防、汽车、电子、石油化工、食品机械等各个领域。在不同的应用场景和使用工况条件，换热器集成了不同领域和学科的科学技术，形成了适用于不同应用场景和不同种类的换热器，例如板翅式、管壳式、微通道换热器等等。通常传统换热器大多都是采用钎焊、焊接方式或其他连接方式进行加工制造。
增材制造，又称为3D打印，是一种以数字模型为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过使用3D打印设备将材料进行逐层添加从而制造出三维物体的新型制造技术。2012年开始在国内兴起，该技术最大的优势在于不需要模具即可实现各种形状产品的制造。因此增材制造技术特别适合应用于利用模具铸造困难、形状复杂、个性化强的产品。
增材制造技术应用于换热器和散热器的制造，满足了产品趋向紧凑型、高效性、模块化、多材料的发展趋势，特别是用于异形、结构一体化、薄壁、薄型翅片、微通道、十分复杂的形状、点阵结构等加工，该技术具有传统制造技术不具备的优势。
图1 应用增材制造技术打印的高效换热器
TPMS胞元式换热器
中的增材思维设计和制造
近年来，三周期极小曲面（Triply periodic minimal surface, TPMS）吸引了多孔结构研究人员广泛的关注。三周期极小曲面表面光滑且孔洞高度连通，整体结构由隐式函数精确控制，是一种设计建模多孔结构的优异解决方案。结合增材制造独特的制造技术，使得TPMS可实现设计、制造、应用、优化再设计的良性循环，尤其是应用在高效换热器行业。
图2 TPMS胞元式换热器
TPMS是一种平均曲率为零的周期性光滑隐式曲面，与其他类型的多孔结构相比，TPMS多孔结构具有两大明显优势：
1）整体TPMS多孔结构可以利用数学表达式精确描述，孔隙率、比表面积等基本性能可以利用函数表达式参数直接控制；
2）TPMS表面非常光滑，没有点阵多孔结构的尖锐转折或连接点，整体结构互相贯通。这种优势应用在换热器的设计中，具有换热高效性、产品紧凑、流阻小的特点，在航天航空、武器装备、汽车制造、生物医疗等行业已进行广泛的推广及应用。
可选晶胞结构类型
TPMS形式胞元通过中间曲面将流道一分为二，适用于两种流体之间的换热。
TPMS可通过正余弦函数来表示，如下表：
表 各类型TMPS数学公式
根据以上数学公式，通过隐式建模软件进行建模，如图3所示。
图3 各TPMS形式的隐式建模
当下高精尖行业，高效换热器设计需求越来越偏向于体积小、重量轻、压力损失小、换热性能强的趋势，这对传统减材式或等材式思维的制造要求极高，特别是超薄壁厚处理、异型结构加工工艺、进出口焊接工艺、装配工艺等。而3D打印以增材式思维进行制造，充分以数字模型为基础，在设计上的自由度、小批量生产的经济性、一体式打印有独特的优势。
因此TPMS胞元换热器通过增材制造，很容易实现整机打印出产品，因此在世界范围内，越来越多的换热器工程师对胞元式换热器的设计研发展现出极大的兴趣。
张振江
流体机械及工程硕士，安世亚太DfAM赋能业务部流体仿真工程师，擅长换热器设计及换热器三维流体仿真，目前从事DfAM换热器设计及性能仿真评估工作。
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