大长径比结构微型金属热沉的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种大长径比结构微型金属热沉的制造方法，用于解决现有热沉的制造方法实用性差的技术问题。技术方案是通过外力迫使金属熔液以均匀微滴的形式从喷嘴中喷射出来，并基于离散堆积原理，以微米级的金属微熔滴为制造单元，通过控制金属微滴的堆积轨迹，进行逐点、逐层堆积，直至成型出微小零件。该制造方法工序简单，无需模具的制备，对热沉基座结构、散热片结构和成型材料皆无过多限制，制备出了不同材质的大长径比结构微型热沉。
【专利说明】大长径比结构微型金属热沉的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种热沉的制造方法，特别是涉及一种大长径比结构微型金属热沉的制造方法。
【背景技术】
[0002]随着电子器件的高频化、集成化和高功率化的发展，单位体积电子器件的发热量和热流密度大幅度地增加，对电子器件微域散热冷却系统提出了更高的要求。大长径比结构是指长度与横截面等效直径的比值较大的柱状结构，其具有较大的比表面积。由于大长径比结构的微型金属热沉可以有效增大散热面积，在空间飞行器天线、战机雷达和聚光太阳能电池等系统中的高能量密度微域强化换热方面有着重要的应用。然而，由于受到重量和空间的双重约束限制，此类金属热沉对现有的制造方法提出了挑战。
[0003]常规的金属热沉加工方法包括高速数控铣削、铸造、粉末冶金和电火花加工等。高速铣削加工此类金属微小结构件时，存在材料粘附性强、薄壁金属微小结构易变形等问题；铸造和粉末冶金工艺受制于模具形状，很难成型出薄壁、弱刚度的金属微小结构；电花火加工虽常被用于制造精细的薄壁金属结构，但细微的电火花电极制作困难且极易损耗，故加工的翅片、薄壁尺寸不宜过小。
[0004]文献 “Studies of microstructures made of Zn - A1 alloys usingmicrocasting.The Internat1nal Journal of Advanced ManufacturingTechnology, 2010, 46 (1-4): 173-178”公开了一种制备大长径比金属微小结构的方法，通过首先制备出大长径比结构的石膏模具，然后运用离心铸造的方式对模具腔体进行合金熔液的浇注，最后再脱除石膏模具部分，从而制备出具有较大长径比结构的6根Zn-4% A1合金圆柱。然而，该制造方法工序繁琐，其模具制作困难且无重复使用性，对材料流动性要求较高，并且制备出的微小结构相对简单，只能采用同一种材料，制造柔性较差。
[0005]中国发明专利“ CN200510130503.1”公开了一种热沉的制造方法，通过先将液态金属灌入热沉基座模具内，然后再将金属柱状散热片植入模具内的液态金属，最后待液态金属冷却并固定金属柱状散热片后形成热沉，这为制备大长径比结构微型热沉提供了一条新途径。然而，该制造方法工序也较繁琐，需要预先制备热沉基座模具和柱状散热片结构，并较难成型具有曲面结构的热沉基座，且在成型中仍需保证基座金属材料熔点不高于柱状散热片的金属材料，否则在植入散热片过程中可能会导致柱状散热片材料的受热熔化，进而影响其成型质量。
【发明内容】
[0006]为了克服现有热沉的制造方法实用性差的不足，本发明提供一种大长径比结构微型金属热沉的制造方法。该方法通过外力迫使金属熔液以均匀微滴的形式从喷嘴中喷射出来，并基于离散堆积原理，以微米级的金属微熔滴为制造单元，通过控制金属微滴的堆积轨迹，进行逐点、逐层堆积，直至成型出微小零件。该制造方法工序简单，无需模具的制备，对热沉基座结构、散热片结构和成型材料皆无过多限制，可以制备出不同材质的大长径比结构微型热沉。
[0007]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种大长径比结构微型金属热沉的制造方法，其特点是采用以下步骤:
[0008]步骤一、选择金属或者合金材料作为成型制件的原材料，采用物理与化学方法相结合的方式去除金属表面氧化皮及杂质，并将其放入坩埚8中，然后对工作环境真空室14进行密封处理；
[0009]步骤二、启动工作环境除氧/水控制子系统，通过真空泵1对真空室14进行抽真空后再通入惰性气体Ar，使得真空室14内的压强与外界大气压保持一致，经过2?4h的除氧处理后，使用氧含量检测仪19与水含量检测仪20对真空室14内的氧/水含量进行检测，确保真空室14内的氧含量与水含量均降低至1PPM以下；
[0010]步骤三、启动加热控制子系统，并根据步骤一中选取的具体成型原材料，设定可控感应加热器9的加热温度，使得可控感应加热器9逐步将坩埚8加热到金属材料液相线以上100?150°C，进而确保坩埚8内是熔融态金属原材料7 ；
[0011]步骤四、启动微熔滴喷射控制子系统，将信号发生器18产生的方波信号输入到气路三通管5输入端的电磁继电器4上，通过电磁继电器4的开闭控制气路的实时通断，再调节输入方波信号的频率和脉宽、入口处气压值和喷嘴尺寸的工艺参数，确保每次喷射出的金属微熔滴尺寸稳定、均匀、可控；
[0012]步骤五、运用计算机16中的CAD软件建立目标成型热沉结构的三维模型，将其保存为STL格式文件，并将STL文件导入指定的切片处理软件，对三维模型进行二维切片图形数据处理，得出每一层的金属微熔滴喷射堆积路径数据；
[0013]步骤六、启动三维基板联合运动控制子系统，并将步骤五中生成的金属微熔滴堆积路径文件进行导入和读取，通过三维联合运动基板控制器15精确控制三维联合运动基板12在X-Y平面内以0.05?0.8m/s的速度做水平运动，在Z轴方向以0.5?lm/s的速度做直线运动，使得金属微熔滴准确地堆积在三维联合运动基板12的指定位置，如此反复，完成热沉结构的逐点、逐层堆积成型；
[0014]步骤七、制备工作完成后，将成型的大长径微型热沉制件10从真空室14内取出，并整体进行回火处理，消除大长径微型热沉制件10的热应力，得到满足使用要求的大长径比结构微型金属热沉。
[0015]成型制件的原材料不同时，将材料分别放入不同坩埚内，在成型过程中根据需要实时转换。
[0016]氧/水含量的上限值根据金属原材料的活泼程度决定。
[0017]本发明的有益效果是:该方法通过外力迫使金属熔液以均匀微滴的形式从喷嘴中喷射出来，并基于离散堆积原理，以微米级的金属微熔滴为制造单元，通过控制金属微滴的堆积轨迹，进行逐点、逐层堆积，直至成型出微小零件。该制造方法工序简单，无需模具的制备，对热沉基座结构、散热片结构和成型材料皆无过多限制，制备出了不同材质的大长径比结构微型热沉。
[0018]具体表现在:
[0019]1.利用均匀金属微熔滴喷射堆积制备大长径比微型金属热沉时，成型过程中金属微熔滴在表面张力作用下快速凝固，较易形成独特的大比表面积结构，且其力学性能较高；同时，微米级金属微熔滴的逐点堆积生长较易形成复杂的薄壁结构，所以相对于传统方法制备的翅片状微小结构，其长径比成倍增加，从而大幅度提升散热面积。
[0020]2.成型过程受热沉基座形状和散热片形状限制较小，适宜在不规则的基座表面上进行大长径散热片结构的成型，并可以完成复杂形状的基座结构与大长径比散热片结构的一体化成型；同时，成型过程受材料的选取限制较小，热沉基座与散热片之间或者两个不同散热片之间都可以选取不同材料进行成型，甚至同一个散热片的不同结构部分也可以选取不同材料进行成型。
[0021]3.与常规制造方法相比，其具有操作简单、制造柔性高、效率高、局限性小、成本低、污染少等诸多优势，可以实现大长径比微型金属热沉的近净成型。
[0022]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作详细说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1是本发明方法采用的大长径比结构微型金属热沉的均匀微熔滴喷射堆积成型系统不意图。
[0024]图2是本发明方法实施例1制备的大长径比鳍柱散热片结构示意图。
[0025]图3是本发明方法实施例1制备的铜合金曲面基座结合铝合金大长径比翅片结构示意图。
[0026]图中，1-真空泵；2_氩气罐；3_氩气减压器；4_电磁继电器；5_气路三通管；6-坩祸热电偶；7_溶融态金属原材料；8-相■祸；9_可控感应加热器；10-大长径微型热沉制件；
11-基板加热装置；12-三维联合运动基板；13_基板热电偶；14_真空室；15_三维联合运动基板控制器；16_计算机；17_温度检测控制器；18_信号发生器；19_氧含量检测仪；20_水含量检测仪；21_大长径比鳍柱散热片；22_大长径比翅片；23_对热沉曲面基座。
【具体实施方式】
[0027]以下实施例参照图1-3。
[0028]实施例1:平面基座铝合金大长径比鳍柱阵列结构热沉制备。
[0029]依据大长径比鳍柱散热片21的具体结构尺寸、阵列要求等，首先运用计算机16中的CAD软件对其进行建模，并将三维模型保存为STL文件，再将此文件导入指定的切片数据处理软件，获得最佳的成型路径，然后进入喷射金属原材料的预处理阶段，首先将满足要求的铝合金原材料进行适当切割处理，以便其能够放入坩埚8中，采用物理和化学相结合的方式去除铝合金原材料表面的氧化皮，除氧过程持续2?4h。接下来在无水乙醇中反复超声振动清洗三次，以便去除其表面附着的杂质，再通过无氧干燥烘干后，将其放置于坩埚8中。通过氩气罐2和真空泵1的联合作用不断将真空室14内部抽真空并充入干燥氩气，通过氧含量检测仪19和水含量检测仪20的实时监测，保证真空室14内部环境中的氧含量与水含量均低于1PPM，此时启动加热控制子系统，通过温度检测控制器17设定加热温度，并结合坩埚热电偶6的温度采集与可控感应加热器9的联合作用，逐步将坩埚8内的熔融态金属原材料7 (本实施例采用铝合金材料)加热至其液相线以上100?150°C，然后使整个系统进入保温状态，启动微熔滴喷射控制子系统，将信号发生器18产生的脉冲电信号输入到气路三通管5输入端的电磁继电器4上，通过调节氩气减压器3出口压力大小、输入方波脉宽和频率的工艺参数，保证每次喷射出的铝合金微熔滴单颗、稳定、均匀且尺寸符合要求。最后根据之前获得的最佳的成型路径数控文件，通过三维联合运动基板控制器15控制三维运动基板12在X-Y平面内以0.05?0.8m/s的速度做水平运动，在Z轴方向以0.5?lm/s的速度做直线运动，使得金属微熔滴准确地堆积在三维联合运动基板(12)的指定位置，配合金属微熔滴的定点按需喷射，逐点、逐层地堆积出大长径比微型热沉制件10，待堆积成型结束后，取出制件，并对其整体进行回火处理，以消除金属微熔滴快速凝固时产生的内应力，从而获得满足使用要求的平面基座铝合金材质的大长径比鳍柱散热片21。
[0030]实施例2:铜合金曲面基座结合铝合金大长径比翅片结构热沉制备。
[0031]本实施例在应用时与实施例1的工艺过程基本相同，不同之处主要是热沉的基座与散热片结构建模，还有其基座与散热片间需要采用不同材料进行制备。在成型的工艺过程中，首先运用计算机16中的CAD软件对热沉曲面基座23与大长径比翅片22进行建模，并对其进行软件切片处理，获得相应的最佳成型路径，并将成型路径保存为两个文件，一个用于堆积成型基座结构，另一个用于堆积成型翅片结构，然后先采用填充铜合金原材料的坩埚结合基座成型路径文件堆积制备热沉曲面基座，再转换至填充铝合金原材料的坩埚，结合翅片结构的成型路径文件在铜合金基座表面上堆积制备散热片部分，在此过程中需要采用基板加热装置11对热沉基座材料进行预热，通过基板热电偶13的温度采集保证已制备的铜合金曲面基座预热温度在300?400°C，进而控制铝合金微熔滴可以很好地与基座材料进行熔合。加工完成后，对大长径微型热沉制件10进行整体回火处理，以消除由于金属微熔滴与基座材料间的温度梯度或因金属微熔滴快速凝固而产生的残余热应力，最终获得满足要求的铜合金曲面基座结合铝合金的大长径比翅片22。
【权利要求】
1.一种大长径比结构微型金属热沉的制造方法，其特征在于包括以下步骤: 步骤一、选择金属或者合金材料作为成型制件的原材料，采用物理与化学方法相结合的方式去除金属表面氧化皮及杂质，并将其放入坩埚(8)中，然后对工作环境真空室(14)进行密封处理； 步骤二、启动工作环境除氧/水控制子系统，通过真空泵(I)对真空室(14)进行抽真空后再通入惰性气体Ar，使得真空室(14)内的压强与外界大气压保持一致，经过2?4h的除氧处理后，使用氧含量检测仪(19)与水含量检测仪(20)对真空室(14)内的氧/水含量进行检测，确保真空室(14)内的氧含量与水含量均降低至IPPM以下； 步骤三、启动加热控制子系统，并根据步骤一中选取的具体成型原材料，设定可控感应加热器(9)的加热温度，使得可控感应加热器(9)逐步将坩埚(8)加热到金属材料液相线以上100?150°C，进而确保坩埚⑶内是熔融态金属原材料(7)； 步骤四、启动微熔滴喷射控制子系统，将信号发生器(18)产生的方波信号输入到气路三通管(5)输入端的电磁继电器⑷上，通过电磁继电器⑷的开闭控制气路的实时通断，再调节输入方波信号的频率和脉宽、入口处气压值和喷嘴尺寸的工艺参数，确保每次喷射出的金属微熔滴尺寸稳定、均匀、可控； 步骤五、运用计算机(16)中的CAD软件建立目标成型热沉结构的三维模型，将其保存为STL格式文件，并将STL文件导入指定的切片处理软件，对三维模型进行二维切片图形数据处理，得出每一层的金属微熔滴喷射堆积路径数据； 步骤六、启动三维基板联合运动控制子系统，并将步骤五中生成的金属微熔滴堆积路径文件进行导入和读取，通过三维联合运动基板控制器(15)精确控制三维联合运动基板(12)在X-Y平面内以0.05?0.8m/s的速度做水平运动，在Z轴方向以0.5?lm/s的速度做直线运动，使得金属微熔滴准确地堆积在三维联合运动基板(12)的指定位置，如此反复，完成热沉结构的逐点、逐层堆积成型； 步骤七、制备工作完成后，将成型的大长径微型热沉制件(10)从真空室(14)内取出，并整体进行回火处理，消除大长径微型热沉制件(10)的热应力，得到满足使用要求的大长径比结构微型金属热沉。
2.根据权利要求1所述的大长径比结构微型金属热沉的制造方法，其特征在于:成型制件的原材料不同时，将材料分别放入不同坩埚内，在成型过程中根据需要实时转换。
3.根据权利要求1所述的大长径比结构微型金属热沉的制造方法，其特征在于:氧/水含量的上限值根据金属原材料的活泼程度决定。
【文档编号】B22F3/115GK104308154SQ201410528141
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月9日 优先权日:2014年10月9日
【发明者】齐乐华, 伊浩, 罗俊, 张代聪, 杨方 申请人:西北工业大学