一体化高温热管设计与激光增材制造技术
技术描述
热管因其独特的相变传热机制，导热性能通常高于同种材质金属1-2个数量级，常被称作热的超导体，在航空、航天、能源、电子等领域具有广泛应用前景。高温热管由于工作温度高（通常在550℃以上）、服役环境恶劣，致使其制备加工难度较高，制造工艺复杂等问题，极大限制了高温热管的发展和应用。本项目针对高温热管吸液芯结构设计，以及热管壳体与吸液芯复合加工难题，开展一体化高温热管设计与激光增材制造技术研究，突破高温热管吸液芯仿生设计及多级孔高温合金激光增材精准构筑技术，解决高温热管壳体与多孔吸液芯一体化设计与制备难题，实现高温热管激光增材一体化成型，为集成高温热管的一体化结构设计与制造提供新方法，为高温热管在高速飞行器热防护、核反应堆冷却及聚光太阳能发电等工业领域的应用提供新技术支撑。基于本项目研究工作，能够发展高温热管制造新方法，简化高温热管制造工艺流程，实现高温热管外形与结构的灵活设计及一体化制备，形成高温热管系列产品及其定制化技术服务能力，从而极大拓展高温热管应用场景及应用领域。
技术优势
项目团队系统探索了超轻质高温合金多级孔制备技术，建立了以增材制造、液态精密成型和去合金化等技术为核心的研究体系，解决了现有金属增材制造和精密成型无法单独满足轻量化结构成型的需求难题，制备了具有厘米、毫米和微米尺度的轻质多级孔高温合金构筑材料和可工程化的高比刚度先进装备用高温合金构件。提出了基于耐旱植物根茎结构仿生的多级孔吸液芯设计方法，发明了基于计算流体动力学的仿生吸液芯毛细性能模拟方法，揭示了大/小孔协同作用下仿生结构吸液芯毛细抽吸机理。发明了高温热管选区激光熔化增材制造技术，阐明了多孔吸液芯孔结构随激光打印工艺参数演变规律，实现了高温热管壳体与吸液芯的一体化成型，验证了高温热管在900℃加热环境下具有优异的启动和均温性能，揭示了加热温度对高温热管启动时间和启动温度影响规律，初步制备出一体化高温热管样件。 相关研究工作已申请发明专利9项（其中美国专利1项，国防专利2项），授权专利3项，并获第二届全国博士后创新创业大赛铜奖，以及中央军委装备发展部“慧眼行动”项目资助，目前正与航天某所合作开展技术成果转化及其在航天器上的推广应用研究。
效果指标
据《2024-2028年热管行业深度市场调研及投资策略建议报告》显示，2023年全球热管市场规模达到近200亿元，创造历史新高。预计未来一段时间，伴随技术进步以及应用范围持续扩展，全球热管市场将保持以7.5%左右的年均复合增速增长，到2028年将达到300亿元。高温热管因其优异的高温传热性能，在高速飞行器热防护、核反应堆冷却及聚光太阳能发电等领域具有广阔应用前景。在航空航天领域，由于严重的气动加热现象，导致高速飞行器头部及翼、舵等部位局部热流密度高，结构温差大，采用基于一体化高温热管的热防护方案，能够在制造成本基本不变的前提下减轻飞行器结构重量，提升飞行速度和飞行距离。在能源领域，利用一体化高温热管冷却核反应堆，能够极大提升核反应堆的安全与可靠性。同时，高温热管能够将较高品味的能源安全、高效地传递给另一侧流体，达到能源梯级利用目的，从而在太阳能热及高温余热的高品味利用方面展现出诱人的市场应用前景。此外，本项目技术成果亦可推广应用于低温段金属热管的设计与制造，从而极大促进热管理领域技术升级，拓展热管在航空、航天、能源、电子信息等领域的商业化应用空间。