0.   引　言

隨著科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，為提高空間利用率，大功率電子器件尺寸越來越小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來越緊密，載荷功率密度越來越大，單個(gè)電子設(shè)備能流可以達(dá)到上千瓦，這些特征導(dǎo)致器件工作時(shí)產(chǎn)生的熱量無法及時(shí)消散，產(chǎn)生的過高溫度會(huì)影響器件的正常運(yùn)行，甚至?xí)?dǎo)致熱失效，因此微電子器件熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及輕質(zhì)高效冷卻部件的應(yīng)用十分關(guān)鍵[1-2]。熱管理技術(shù)是通過協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各換熱或散熱部件來對溫度進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)的技術(shù)，這些換熱或散熱部件就是熱管理部件。通過應(yīng)用熱管理部件可以為系統(tǒng)提供更好的溫度條件，使得整個(gè)系統(tǒng)可以維持平衡，從而安全可靠地長壽命運(yùn)行。 

微電子器件迅速增加的熱流以及對高效率冷卻性能的需求促進(jìn)了微通道熱管理部件的發(fā)展。1981年，TUCKERMAN與PEASE針對集成電路散熱問題提出了“微通道熱沉”的概念，這也是第一次提出利用微通道解決散熱問題的觀點(diǎn)[3]。與常規(guī)散熱器相比，微通道散熱器的表面積/體積比大，單位面積換熱效率高，質(zhì)量輕，在高密度集成微電子器件熱管理方面得到快速發(fā)展[4-5]。為了給相關(guān)人員提供參考，作者在熱管理技術(shù)發(fā)展的背景下，介紹了微通道熱管理部件的應(yīng)用現(xiàn)狀，總結(jié)了不同微通道流道結(jié)構(gòu)對傳熱性能的影響，并在對比了微米級減材加工工藝和增材制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)闡述了以化學(xué)刻蝕和擴(kuò)散焊接為主要工序的疊層增材制造技術(shù)在加工復(fù)雜微通道熱管理部件方面的應(yīng)用。 

1.   應(yīng)用背景

微通道熱管理部件因具有整體尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律復(fù)雜等特點(diǎn)，其傳熱效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)熱管理部件，因此廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事、電子芯片等高度專業(yè)化領(lǐng)域。 

近年來軍事電子和微波器件發(fā)展迅速，大功率電子芯片呈現(xiàn)出小型化、高集成度的發(fā)展趨勢，這導(dǎo)致電子元件的功率增大，熱流密度增加且分布不均勻，局部熱點(diǎn)問題越來越嚴(yán)重，因此高效換熱或散熱部件的研究十分關(guān)鍵。氮化鎵（GaN）高電子遷移率晶體管具有寬帶隙和高電子飽和速率的優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)領(lǐng)域備受關(guān)注。但是，在工作過程中GaN晶體管中會(huì)產(chǎn)生高熱通量，當(dāng)溫度過高時(shí)會(huì)出現(xiàn)局部熱點(diǎn)，影響晶體管的綜合性能[6]。針對這一情況，Al-NEAMA等[7-9]采用蛇形水冷微通道散熱器對GaN晶體管進(jìn)行冷卻，研究發(fā)現(xiàn)蛇形微通道結(jié)構(gòu)在破壞熱邊界層、改善傳熱方面起著至關(guān)重要的作用；通過試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)合的方法對比了不同路徑蛇形微通道的流體流動(dòng)特性與傳熱特性，發(fā)現(xiàn)通道的彎曲會(huì)阻止流體流動(dòng)和熱邊界層的發(fā)展，單路徑蛇形微通道的綜合傳熱性能最優(yōu)，多路徑蛇形微通道的傳熱效率很高，但這是以流體的大壓降作為代價(jià)的；在蛇形微通道模型的基礎(chǔ)上，引入翅片創(chuàng)建了蛇形微通道內(nèi)的次通道，主、次通道結(jié)構(gòu)在降低散熱器熱阻和增強(qiáng)對流換熱上起到顯著作用，壓降和總熱阻分別降低60%和10%。XIA等[10]針對高速運(yùn)轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電動(dòng)主軸在工作過程中產(chǎn)生較大的熱量而導(dǎo)致熱變形的情況，對分形樹狀通道和傳統(tǒng)螺旋通道冷卻套管的傳熱和壓降特性進(jìn)行了數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)螺旋通道相比，分形樹狀通道具有更低的壓降以及更均勻的溫度場。 

超高溫反應(yīng)堆是一種燃料利用率高的熱中子譜反應(yīng)堆，反應(yīng)堆核心具有高熱通量，中間換熱器將熱量從超高溫反應(yīng)堆系統(tǒng)中的第一個(gè)回路傳遞到第二個(gè)回路，從而提高了熱量利用率。超高溫反應(yīng)堆系統(tǒng)的效率和成本受中間交換器的影響，傳統(tǒng)管殼式換熱器無法滿足小空間大面積傳熱的要求，而微通道換熱器的體積小、傳熱效率高，可以滿足超高溫反應(yīng)堆的工作環(huán)境[11]。MA等[12]研究了超高溫反應(yīng)堆工況下鋸齒形微通道換熱器（內(nèi)部冷板和熱板交替排列）的局部傳熱和壓降機(jī)理，發(fā)現(xiàn)鋸齒形通道可以起到擾亂流體流動(dòng)和增強(qiáng)傳熱的作用，傳熱和壓降隨著鋸齒形通道相對于水平方向的傾斜角度的增加而增大，在實(shí)際應(yīng)用中需考慮質(zhì)量流量與傾斜角的匹配問題。CHEN等[13]和FIGLEY等[14]針對超高溫反應(yīng)堆的典型工作條件，設(shè)計(jì)制造了一款鋸齒形微通道換熱器，研究發(fā)現(xiàn)在溫度802 ℃和壓力2.7 MPa下鋸齒形微通道具有更好的整體傳熱性能，層流狀態(tài)下和過渡流狀態(tài)下的傳熱系數(shù)分別為直圓管微通道的2～3倍和1.5～3.0倍。 

高效能源轉(zhuǎn)換、調(diào)解能源生產(chǎn)是解決能源短缺的重要方式，太陽能是發(fā)展所必需的可再生清潔能源之一，關(guān)于提高太陽能熱電站效率的研究已經(jīng)十分廣泛。高聚光光伏（high concentrator photovoltaic，HCPV）是一種極具潛力的清潔發(fā)電方式，所采用的太陽能電池可以提供高能量通量。在實(shí)際應(yīng)用過程中，只有小部分太陽輻射會(huì)被高聚光光伏電池吸收，大多數(shù)太陽輻射轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致電池表面溫度過高，這可能造成表面缺陷，對電池的性能產(chǎn)生負(fù)面影響，因此需要高效率的冷卻系統(tǒng)來降低電池溫度、提高溫度分布均勻性[15-16]。TANG等[17]設(shè)計(jì)了一種具有新型歧管超薄微型針翅散熱器的緊湊型高聚光光伏系統(tǒng)，在1 000倍太陽光能量密度下該系統(tǒng)表現(xiàn)出優(yōu)異的冷卻性能和溫度均勻性，電池平均溫度可降至51 ℃，溫度不均勻性僅為3.4 ℃，相比常規(guī)混合射流微通道和變寬度微通道設(shè)計(jì)，其溫度不均勻性明顯降低；隨著入口冷卻液流量的增加（1.5～12 kg·h−1），電池的平均溫度及其不均勻性進(jìn)一步降低，凈電效率顯著提高，但當(dāng)入口冷卻液流量超過23.5 kg·h−1時(shí)，壓降急劇增加，導(dǎo)致凈電效率下降。HONG等[18]為實(shí)現(xiàn)太陽能電池在散熱的同時(shí)進(jìn)行熱回收，提出了一種結(jié)合沖擊射流和微通道流動(dòng)沸騰的徑向膨脹微通道散熱器，冷卻介質(zhì)通過中央入口流入散熱器中沸騰，并沿徑向陣列通道流動(dòng)；通過實(shí)時(shí)太陽跟蹤測試得到，該微通道散熱器在各取向角（微通道散熱器相對于水平方向的傾斜角度，0°，30°，45°，60°，90°）下工作良好，保持了優(yōu)異的流動(dòng)沸騰性能，電池表面最高溫度保持在110 ℃以下，可以應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活中的高聚光光伏光熱混合系統(tǒng)。 

2.   微通道結(jié)構(gòu)

微通道的尺寸、幾何結(jié)構(gòu)對熱管理部件最終的傳熱效率有顯著影響。隨著通道寬度的減小，傳熱路徑縮短，對流傳熱系數(shù)增大，熱阻呈降低趨勢，這是微通道熱管理部件可以實(shí)現(xiàn)高效傳熱的原因之一[19]。根據(jù)流體流動(dòng)路徑，微通道可以分為連續(xù)型和非連續(xù)型微通道。連續(xù)型微通道包括直通道、波浪形通道、蛇形通道、鋸齒形通道等，流體在各通道內(nèi)單獨(dú)流動(dòng)。非連續(xù)型微通道由翼型翅片、肋片或鰭片規(guī)律排列組成，不同通道內(nèi)的流體可以匯合，該結(jié)構(gòu)微通道可在保證傳熱的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)相對較低的壓降[20]。除了上述常規(guī)微通道結(jié)構(gòu)外，研究人員在自然界中樹干、葉脈、哺乳動(dòng)物呼吸系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)的啟發(fā)下，設(shè)計(jì)了許多新型仿生拓?fù)湮⑼ǖ澜Y(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)具有一系列連續(xù)的分支通道，傳熱效率更高，壓降更小，溫度分布更加均勻[21-23]。 

直通道是最基本的微通道類型，適合應(yīng)用在要求低壓降的工作環(huán)境中，對直通道結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整后可以改善其傳熱性能[13, 24]。CHENG等[25]以蒸餾水為工作流體，對比了不同錐度比的錐形通道和直通道的傳熱系數(shù)和壓降，發(fā)現(xiàn)高錐度比會(huì)導(dǎo)致流體更早過渡到湍流，在較低的雷諾數(shù)下具有更大的傳熱系數(shù)和更高的壓降。MESHRAM等[26]通過數(shù)值模擬方法對比發(fā)現(xiàn)：鋸齒形通道在相同熱容量下的體積比直通道顯著減小，但壓降更高，主要是因?yàn)榱鲃?dòng)擾動(dòng)增強(qiáng)帶來了傳熱強(qiáng)化效應(yīng)；鋸齒形通道的傳熱系數(shù)隨鋸齒彎曲角的增加而增大，隨線性間距的增加而降低，因此較大彎曲角和較小線性間距下鋸齒形通道的傳熱性能更好，但二者均會(huì)導(dǎo)致壓降顯著升高。雖然鋸齒形通道能大幅縮減換熱器體積，但其高壓降可能削弱其循環(huán)效率，因此需權(quán)衡傳熱強(qiáng)化與壓降損失以實(shí)現(xiàn)性能平衡。 

非連續(xù)型微通道中的翼型翅片、肋片等結(jié)構(gòu)對增強(qiáng)微通道熱管理部件的傳熱效率有著顯著作用，這些結(jié)構(gòu)打斷了冷卻介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和熱邊界層，流暢的線型抑制了流體的流動(dòng)分離，促進(jìn)了流體均勻流動(dòng)[27]。CHUNG等[28]將氮?dú)庾鳛楣ぷ髁黧w，對比了翼型翅片通道和直通道的綜合性能，發(fā)現(xiàn)在給定的入口條件下，翼型翅片通道具有更高的單位體積傳熱速率和單位長度壓降。SAEED等[29]對交錯(cuò)排列的正弦鰭片通道進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)正弦鰭片平穩(wěn)地改變了工作流體CO2在通道內(nèi)的流向，避免了出現(xiàn)再循環(huán)和分離區(qū)，與傳統(tǒng)鋸齒形通道相比，鰭片優(yōu)化的通道綜合性能顯著提高。 

仿生拓?fù)湮⑼ǖ澜Y(jié)構(gòu)具有周期性的邊界層間斷和強(qiáng)烈的流動(dòng)混合特性，可以改善傳熱和壓降性能。ZHOU等[23]受葉脈結(jié)構(gòu)啟發(fā)提出了一種新型均熱板，系統(tǒng)分析了冷卻水溫度和質(zhì)量流量對傳熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)：葉脈結(jié)構(gòu)能有效促使冷凝水以低水力阻力回流到蒸發(fā)區(qū)，降低冷卻水溫度，同時(shí)提高冷卻水質(zhì)量流量可以降低總熱阻；該均熱板可以承受20～500 W的寬范圍熱負(fù)荷，其傳熱性能未出現(xiàn)明顯下降，最小熱阻為0.029 ℃·W−1。YAN等[30]在Y分形通道換熱器的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬研究了水凝膠嵌入位置對分形通道熱沉自適應(yīng)冷卻的影響，發(fā)現(xiàn)：水凝膠的嵌入起到調(diào)控流體流速的作用，可幫助分形通道換熱器處理更大范圍密度的熱流；在一級分支中嵌入的水凝膠不易變形，適合處理高熱通量的情況，在二級分支嵌入的水凝膠對芯片局部熱點(diǎn)的探測更靈敏，也更容易發(fā)生變形，適用于低熱通量的情況。綜上，在整體體積保持不變或整體尺寸更小的情況下，微通道熱管理部件的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)越精準(zhǔn)復(fù)雜，其傳熱性能的改善效果越顯著[5]。 

3.   加工技術(shù)

3.1   典型微米級部件加工技術(shù)

隨著制造業(yè)對部件加工精度要求的提高，微米級高效高精度加工技術(shù)的研究與應(yīng)用引起了產(chǎn)業(yè)界和學(xué)界的高度關(guān)注。表1列舉了典型微米級部件加工技術(shù)的原理及其優(yōu)勢和局限性。微米級減材加工工藝（微機(jī)械加工、微電火花加工、微沖壓、微液壓成形、激光加工、聚焦等離子蝕刻）改善了傳統(tǒng)加工技術(shù)如車削、銑削等直接加工小尺寸工件時(shí)出現(xiàn)的微觀尺度問題，如表面質(zhì)量和尺寸精度難以控制、熱量集中、應(yīng)力和變形較大等。雖然表中列舉的微米級減材加工工藝在微米級部件制造領(lǐng)域展示出優(yōu)勢，但若用于加工微通道熱管理部件仍存在一定的局限性。首先，這些工藝會(huì)受到材料厚度和幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的限制，難以加工出深寬比大和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的溝槽。其次，為滿足高強(qiáng)度和耐高溫要求，微通道熱管理部件一般選用合金材料，如不銹鋼、高溫合金等，微米級減材加工工藝對這些材料的加工難度較大，難以實(shí)現(xiàn)微通道熱管理部件的高精密度和可重復(fù)性，導(dǎo)致流道間距不均勻或結(jié)構(gòu)不完整，進(jìn)而影響換熱器的整體性能和穩(wěn)定性。最后，刀具壽命、材料利用率和制造成本等也是微米級減材加工工藝應(yīng)用的阻礙。 

在微通道熱管理部件制備領(lǐng)域，增材制造技術(shù)的作用日益凸顯。金屬增材制造技術(shù)主要包括粉末床熔化技術(shù)和直接能量沉積技術(shù)。粉末床熔化技術(shù)利用能量源對粉末床連續(xù)選擇性的逐層熔化或燒結(jié)，基于可控的分層構(gòu)建原理，構(gòu)建具有自由幾何形狀、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件[45]。SYED-KHAJA等[46]將微通道冷卻技術(shù)與粉末床熔化技術(shù)相結(jié)合制備出具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的散熱器，證明了該方案作為高度集成電力電子器件熱管理方式的可行性；與傳統(tǒng)空氣冷卻散熱器相比，該方案在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上具有更高的自由度，能夠?qū)崿F(xiàn)三維復(fù)雜流道的精準(zhǔn)制造，同時(shí)散熱器整體尺寸顯著減?。辉谙嗤娏鳁l件下，該方案制備的散熱器的冷卻性能優(yōu)于傳統(tǒng)散熱器，芯片溫度最高可降低33%，并且通過內(nèi)部微通道可直接對熱點(diǎn)進(jìn)行定向冷卻，有效提升了熱管理效率。 

直接能量沉積技術(shù)直接將喂料沉積到能量源產(chǎn)生的熔池中，在基板上以“從無到有”的形式制造零件或?qū)σ延辛慵M(jìn)行再次加工。在加工過程中根據(jù)需要可以改變合金成分，即該技術(shù)具有在一個(gè)零件中沉積多種材料的能力。由于喂料沉積在已凝固的前一層，沒有外部材料支撐，故直接能量沉積技術(shù)無法制備復(fù)雜程度較高的構(gòu)件[42-47]。在低成本、小批量、個(gè)性化的加工技術(shù)中增材制造技術(shù)具有代表性，利用該技術(shù)制備微通道結(jié)構(gòu)可以簡化工藝流程，實(shí)現(xiàn)多尺度、多材料的集成制備，并且能夠具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，滿足熱管理部件對質(zhì)量、散熱性能、力學(xué)性能等方面的要求[48]。 

3.2   疊層增材制造技術(shù)

對于復(fù)雜微通道熱管理部件的加工制造，增材制造技術(shù)需要具有高的加工精度和表面質(zhì)量、快的加工效率且能夠進(jìn)行封閉孔洞加工；疊層增材制造技術(shù)可以滿足上述需求。疊層增材制造技術(shù)利用分層實(shí)體思想，將三維實(shí)體微分切片成薄板，對每個(gè)薄板進(jìn)行精密加工，把加工后的薄板按三維實(shí)體結(jié)構(gòu)順序堆疊并加工連接成為一個(gè)整體。其中，在每個(gè)薄板上實(shí)現(xiàn)指定圖案加工的光化學(xué)蝕刻技術(shù)和將薄板連接起來的擴(kuò)散焊技術(shù)是影響疊層增材制造微通道結(jié)構(gòu)部件加工質(zhì)量的2個(gè)關(guān)鍵工序。 

3.2.1   光化學(xué)蝕刻

光化學(xué)蝕刻是通過化學(xué)方法對金屬進(jìn)行可控制加工的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高精度、結(jié)構(gòu)復(fù)雜微通道的制備，主要制備流程：根據(jù)所需通道形狀制作掩模板；清洗打磨基板表面并涂上光刻膠；將掩模板與涂有光刻膠的基板表面牢牢貼合以防后續(xù)加工過程中脫落；在紫外線曝光顯影后，利用化學(xué)蝕刻劑進(jìn)行溶解腐蝕，以達(dá)到最終通道成型的目的[49]。其中，光刻膠是一種光敏化學(xué)品，當(dāng)曝光在紫外線下時(shí)會(huì)發(fā)生降解或固化。在光刻膠的幫助下，通道圖形可以從掩模板復(fù)制到基板表面，為之后的化學(xué)蝕刻流程做準(zhǔn)備[50]。 

通過化學(xué)蝕刻選擇性去除材料的方式得到的零件最終質(zhì)量與材料化學(xué)活性、蝕刻劑濃度、蝕刻時(shí)間及蝕刻溫度等因素有關(guān)。材料中通常會(huì)存在大量位錯(cuò)缺陷，位錯(cuò)處具有相對較高的能量，穩(wěn)定性較差，當(dāng)受到蝕刻劑侵蝕時(shí)，位錯(cuò)處首先溶解[51-52]。許多材料具有多種結(jié)構(gòu)狀態(tài)，不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)下的化學(xué)穩(wěn)定性存在差異[53]，需根據(jù)加工材料的結(jié)構(gòu)狀態(tài)合理選擇蝕刻劑。SAY等[54]研究了不同蝕刻劑濃度（1，2，4，8 mol·L−1）和蝕刻時(shí)間（10，60，180 min）下HNO3、H2SO4、HCl、HClO4、NaOH、Na2CO3等6種不同蝕刻劑對316L不銹鋼的蝕刻效果，發(fā)現(xiàn)在HNO3、H2SO4和HCl蝕刻劑中316L不銹鋼表面未發(fā)生顯著反應(yīng)，而HClO4、NaOH和Na2CO3蝕刻劑對316L不銹鋼的蝕刻效果明顯，在8 mol·L−1 Na2CO3溶液中浸泡10 min后獲得最大的表面粗糙度Ra，為9.57 μm。 

材料去除率、工件邊緣偏差、表面粗糙度是評估蝕刻微通道效果的重要參數(shù)，加工工件時(shí)希望在保證高材料去除率的同時(shí)，邊緣偏差、表面粗糙度保持在較小的范圍內(nèi)。AGRAWAL等[55]在304不銹鋼表面制備蛇形和Y形通道過程中，以FeCl3作為蝕刻劑進(jìn)行光化學(xué)加工，研究了材料去除率、表面粗糙度與各蝕刻參數(shù)間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)材料去除率隨蝕刻劑質(zhì)量濃度增加、溫度升高或時(shí)間延長而提高，當(dāng)質(zhì)量濃度超過650 g·L−1時(shí)表面粗糙度因溶液黏度升高而下降。GANDHI等[56]采用FeCl3蝕刻劑對316L不銹鋼進(jìn)行光化學(xué)蝕刻試驗(yàn)，研究了蝕刻劑質(zhì)量濃度（500，600，700 g·L−1）、試驗(yàn)溫度（48，52，56 ℃）和蝕刻時(shí)間（8，12，16 min）對316L不銹鋼表面粗糙度的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)蝕刻劑質(zhì)量濃度為500 g·L−1，溫度為52 ℃，蝕刻時(shí)間為12 min時(shí)，表面粗糙度最小。ZHUANG等[57]提出通過幾何優(yōu)化方法提高散熱器整體性能，即分別在銅基板和鋁基板上蝕刻菱形通道，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)的并聯(lián)微通道散熱片相比，在外部尺寸、熱通量和最高溫度相同的條件下，具有菱形分形單元的微通道散熱片可以有效提高散熱效率。ZHANG等[58]采用HCl溶液對鋁板進(jìn)行液滴蝕刻，蝕刻4 min后鋁板的平均表面粗糙度約為3.5 μm，表面結(jié)構(gòu)均勻，疏水性提高。 

光化學(xué)蝕刻技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)微通道的制備，通過控制蝕刻劑濃度、蝕刻時(shí)間，可以對微通道的表面粗糙度進(jìn)行控制。光化學(xué)蝕刻技術(shù)適用范圍廣，在選擇適合蝕刻劑的前提下，可以對熱管理部件常用不銹鋼、銅合金等材料進(jìn)行加工。利用光化學(xué)蝕刻技術(shù)得到的微通道表面粗糙度小、側(cè)壁光滑，并且該工藝加工效率高，成本相對低廉，可以用于規(guī)模化生產(chǎn)。 

3.2.2   擴(kuò)散焊接

擴(kuò)散焊接是將待焊工件在保護(hù)氣氛或真空中加熱至母材熔點(diǎn)以下溫度，同時(shí)施加壓力使工件接觸面發(fā)生微觀塑性變形，兩側(cè)原子擴(kuò)散而形成牢固冶金結(jié)合的一種固態(tài)連接工藝[59-61]。在疊層增材制造過程中擴(kuò)散焊接在分層蝕刻微通道和層板三維結(jié)構(gòu)順序裝配堆疊后進(jìn)行，通過加入填充材料作為助劑促進(jìn)層板界面結(jié)合。填充材料在高溫下熔化后發(fā)生原子擴(kuò)散，在等溫凝固過程中生成異質(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)連接；同時(shí)填充材料的加入還可以防止異種材料焊接時(shí)脆性相的產(chǎn)生[62-63]。 

LI等[64]先利用光化學(xué)蝕刻技術(shù)在316L不銹鋼板（尺寸250 mm×67.7 mm×50 mm）上加工出直徑為263.6 μm的直通道，然后將加工好的不銹鋼板按順序堆疊，再通過擴(kuò)散焊接方法進(jìn)行連接，完成微通道換熱器的制造；經(jīng)過檢測該換熱器在最大壓力15 MPa下的密封性良好，未發(fā)生泄露或結(jié)構(gòu)失效；在不平衡和平衡流量2種條件下，冷側(cè)水的質(zhì)量流量變化顯著影響了換熱器的效率和傳熱速率，各側(cè)出口溫度隨冷側(cè)水質(zhì)量流量的增加而降低；此外，通道寬度的減小可顯著提高換熱器的功率質(zhì)量比。CHU等[65]在304不銹鋼板上蝕刻出半徑為1.4 mm、截面為半圓形的微通道，將熱板和冷板按照順序堆疊后進(jìn)行擴(kuò)散焊接；為保證該微通道換熱器在極端條件下長時(shí)間運(yùn)行的穩(wěn)定性，在15 MPa壓力下對換熱器進(jìn)行水壓測試，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過24 h測試后換熱器的壓力仍保持在15 MPa，表明換熱器在制造過程中未發(fā)生泄漏；通過金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)兩板間元素相互擴(kuò)散，焊接接頭成形質(zhì)量好，換熱器的安全性得到了驗(yàn)證。 

擴(kuò)散焊接接頭的成形質(zhì)量好，界面裂紋、不完全結(jié)合、孔隙等焊接缺陷少，接頭顯微組織未出現(xiàn)不連續(xù)性，不同區(qū)域的力學(xué)性能和顯微組織與基體差異小，該技術(shù)可以作為高精度和復(fù)雜形狀部件的連接制備工藝。 

4.   結(jié)束語

隨著我國軍用、航空領(lǐng)域的設(shè)備向小型化、多功能集成化方向的不斷發(fā)展，優(yōu)化傳統(tǒng)熱管理方案、制備更加精細(xì)復(fù)雜的熱管理部件顯得尤為重要。微通道熱管理部件因具有緊湊的結(jié)構(gòu)、高傳熱效率以及較高的比表面積，能夠很好地解決高度集成電路等的熱管理問題，特別適合于對換熱或散熱部件結(jié)構(gòu)和尺寸有特殊要求的系統(tǒng)。然而，其復(fù)雜、細(xì)微、封閉的內(nèi)通道結(jié)構(gòu)難以采用傳統(tǒng)的機(jī)械加工和材料成型技術(shù)制備。與粉末床熔化等增材制造技術(shù)相比，疊層增材制造技術(shù)具有零件結(jié)構(gòu)精度高、強(qiáng)度高以及可實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)等優(yōu)勢，適合制備內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，在復(fù)雜微通道熱管理部件制備上具有明顯的優(yōu)勢。但是，該技術(shù)仍面臨部分難題，例如：對于熱管理部件常用的304不銹鋼和6061鋁合金，在光化學(xué)蝕刻過程中難以對蝕刻精度進(jìn)行準(zhǔn)確控制，需根據(jù)具體材料選擇合適的蝕刻劑，并控制蝕刻時(shí)間來進(jìn)行改善；在擴(kuò)散焊分層實(shí)體制造過程中，當(dāng)板材厚度只有0.05～1.00 mm時(shí)，界面焊合及變形控制的最核心問題是如何保證小變形量下的可靠連接（軸向變形量小于1%），這就需要深入理解和揭示界面形成和結(jié)合機(jī)理，并在此技術(shù)上精確控制焊接溫度和壓力。因此，今后對于復(fù)雜微通道熱管理部件方面的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：（1）開發(fā)復(fù)雜外形的微通道換熱器制備技術(shù)，以適應(yīng)航空航天領(lǐng)域?qū)?fù)雜結(jié)構(gòu)冷卻的發(fā)展需求；（2）開發(fā)綠色加工技術(shù)，包括提高加工效率、減少加工過程對環(huán)境的污染等；（3）優(yōu)化微通道拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以提升傳熱效率。

文章來源——材料與測試網(wǎng)