固定肩部搅拌摩擦成槽工艺制备铝基冷却通道：流动机理与传热效率

《Journal of Manufacturing Processes》：Stationary-shoulder friction stir channeling of aluminum-based cooling channels: Flow mechanisms and heat transfer efficiency

　　

摘要

高效冷却通道对于推进电池热管理至关重要。虽然搅拌摩擦沟槽加工代表了一种变革性的单步范式，避开了传统铣削 - 焊接方法的热阻和泄漏风险，但它常受几何不规则性和尺寸限制的困扰。在此，提出了静止肩搅拌摩擦沟槽加工以实现整体式通道制造。静止肩通过调节热输入来维持最佳材料粘度，结合数值建模与实验验证进行了整合。该机制将材料流动限制在稳定的垂直轨迹中，有效抑制了无序扩散。所得通道实现了 5.12 毫米的增强高度，90.4% 的矩形度，以及相比传统搅拌摩擦沟槽加工表面粗糙度降低五倍，在各种运行工况下提供了每单位压降持续更高的传热效率。

引言

锂离子电池已成为能源存储基础设施和电动出行的基石，得益于其优异的能量密度、延长的循环稳定性和高的往返效率 [1]。然而，锂离子电池的运行效率在很大程度上取决于热稳定性，因为过高的温度或明显的热梯度会损害循环寿命和安全 [2], [3]。因此，实施稳健的电池热管理系统是不可或缺的 [4]。利用冷板的间接液冷已成为商业电动汽车的主流范式，因其卓越的可靠性和经济可行性而受到青睐 [5], [6]。这些板中集成的冷却通道是热调节的结构骨干，作为促进均匀散热并缓解有害局部热点的管道网络 [7]。这些通道通过铣削 - 焊接序列制造——这是一个本质上受限于材料利用率和制造吞吐量不佳的过程 [8], [9]。所得界面引入了寄生热阻和慢性冷却液泄漏风险，损害了冷却系统的结构和热完整性 [10]。

搅拌摩擦沟槽加工 (FSC) 是搅拌摩擦加工的一种固态衍生技术，能够在一块整体工件中单步制造无缝内部通道 [11], [12]。FSC 通过引导旋转工具提取粘塑性材料并同时锻造密封顶盖，避开了传统铣削 - 焊接范式固有的过量界面热阻和腐蚀风险 [13]。尽管有优势，但经典 FSC 依赖于螺纹销架构和肩 - 工件间隙，这施加了双重约束 [14]。所得飞边需要劳动密集型的后处理，而螺纹销强度限制限制了可提取材料体积，从而限制了最大通道高度 [15], [16]。鉴于提高通道尺寸对于优化电池冷却中的冷却液通量和热水力效率至关重要，已出现几种方法学演进 [17]。带有非螺纹探针的倾斜工具 FSC 可以增强材料位移；然而，过量热输入严重损害材料粘度，导致尺寸规则性差和内部表面退化 [18], [19]。同样，卷肩 FSC 虽然消除了间隙需求，但常受局部力不对称性的困扰，这在通道顶盖上引发微波纹和不均匀致密化——这些缺陷在复杂轨迹加工期间会加剧 [20], [21]。因此，仍然需要一种能够增加通道体积、提高几何保真度并促进更一致顶盖形成的技术。

静止肩架构——由静止肩和旋转销组成的解耦配置——在搅拌摩擦焊 [22], [23] 和增材制造 [24], [25] 中已被证明是至关重要的。将精心设计的孔口集成到静止肩中进行直接材料挤出，提供了一条有希望的路径，以绕过 FSC 固有的体积瓶颈。静止肩有效地消除了飞边，增强了锻造压力，并通过与工件保持直接接触来调节热输入。虽然这些属性在理论上有利于提高通道高度和顶盖完整性，但这种潜力在经验上尚未验证，且潜在形成机制知之甚少。此外，传统 FSC 通常由于旋转剪切和材料支撑不足而产生明显的表面起伏 [26]。它们对压降的不利影响经常被忽视，尽管一些文献表明这些特征可能通过面积扩展增强传热 [27]。鉴于基于静止肩架构的 FSC 本质上通过减少热输入改变了材料粘度，预计将产生独特的内部形态。因此，全面的比较研究和机制分析是阐明这些现象学差异及其对热管理性能更广泛影响的当务之急。

鉴于这些考虑，提出了静止肩 FSC (SSFSC) 以实现显著的通道高度和优异的矩形度。开发了一个综合数值模型，结合离散粒子追踪，以阐明材料迁移的动态演化以及受限制热输入下粘度对通道形态的调节作用。基于模拟流场特性，系统地评估了内壁地形与所得热水力性能之间的相互作用，提供了工艺诱导特征与散热效率之间的机制联系。

章节片段

材料与方法

实验选用的基材 (BM) 是 5A06-H111 铝合金板，尺寸为 200 mm × 200 mm × 12 mm。实验装置示意图如图 1a 所示。用于 FSC 和 SSFSC 的主要工艺和工具参数总结在表 1 中。对于 SSFSC，销与静止肩同轴组装，以 1400 rpm 的速度顺时针旋转，而肩保持静止。移动速度为 100 mm/min，且

温度场的分布与验证

温度特征代表了 SSFSC 和 FSC 之间的显著差异。图 4a 和 b 比较了它们的温度场，表明 SSFSC 显著降低了成形区的温度，这种冷却效应直接影响材料流动行为。图 4 中的所有温度均以 K 表示。图 4c 和 d 中的模拟热循环再现了实验中观察到的整体加热和冷却趋势以及近似的峰值温度水平，

结论

• (1)
  提出了一种新颖的 SSFSC 范式，以超越传统 FSC 的几何和形态约束。本研究阐明了内在的“热输入 - 粘度 - 材料流动”关系，揭示静止肩调节散热以保持高粘度状态。这种状态将材料传输限制在稳定的垂直轨迹中，有效抑制了困扰传统工艺的无序扩散和随机沉积。这

CRediT 作者贡献声明

Yuming Xie: 方法论，调查，形式分析，概念化。Cheng Shan: 写作 – 初稿，方法论，调查。Xiangchen Meng: 可视化，验证，方法论。Shengnan Hu: 资源，数据整理。Ruitao Guo: 可视化，数据整理。Yevhenii Illyashenko: 项目管理，资金获取。Yongxian Huang: 写作 – 审阅与编辑，监督，资金获取，概念化。

利益冲突声明

没有利益冲突需要声明。

致谢

这项工作由国家自然科学基金委员会 (编号 52571038, 52205350, 和 52305345) 以及黑龙江省春雁创新团队计划(CYCX24008) 联合支持。

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