3D打印納米陶瓷增強合金技術(shù)研發(fā)國內(nèi)進行時

隨著3d打印技術(shù)的發(fā)展，3d打印材料也在不斷的進步，但是相對與其他加工方式來說，3d打印材料的依然很少。南極熊認(rèn)為，下一個3d打印的爆發(fā)點將可能會是新型3d打印材料的研發(fā)，當(dāng)納米技術(shù)和陶瓷與3d打印結(jié)合出來會擦出什么樣的火花呢？

我們通常所說的納米陶瓷材料是利用納米粉體對現(xiàn)有陶瓷進行改性，通過往陶瓷中加入或生成納米級顆粒、晶須、晶片纖維等，使晶粒、晶界以及他們之間的結(jié)合都達到納米水平，使材料的強度、韌性和超塑性大幅度提高。國內(nèi)包括成都新柯力化工科技通過激光燒結(jié)，將納米陶瓷顆粒與無機粘土混合，通過激光燒結(jié)，借助激光快速加熱和冷卻的特性，將無機粘土燒結(jié)形成納米級的陶瓷晶粒。

而隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外出現(xiàn)了通過SLM技術(shù)制備納米陶瓷增強鎳基高溫合金，以及多相納米陶瓷顆粒增強Al基復(fù)合材料的工藝。通過材料的進步提升產(chǎn)品的性能，這項技術(shù)或許如GE的小小“噴油嘴”一樣，對發(fā)動機的性能起到四兩撥千斤的大作用。

不再粗化的晶粒

納米陶瓷增強鎳基高溫合金在高溫下具有良好的組織穩(wěn)定性和使用可靠性，在整個高溫合金領(lǐng)域占有重要的地位，被廣泛地用來制造航空噴氣發(fā)動機、各種工業(yè)燃?xì)廨啓C的最熱端部件。

航空發(fā)動機最重要的性能參數(shù)之一是推重比。隨著航空事業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)代航空發(fā)動機不斷追求更高的推重比。隨著推重比的增加，必然導(dǎo)致高性能航空發(fā)動機渦輪進口溫度進一步提高，解決發(fā)動機熱端部件材料的耐熱問題越來越凸顯其重要性。

然而, 納米陶瓷顆粒增強鎳基高溫合金的制備比微米級和亞微米級的要復(fù)雜和困難的多。主要難點在于：

一：巨大的比表面所產(chǎn)生的表面能使具有納米尺寸的物體之間存在極強的團聚作用，而且陶瓷顆粒與基體金屬密度差異大，易引發(fā)團聚，降低增強相顆粒對基體金屬的強化效應(yīng)；

二：納米陶瓷顆粒增強金屬基復(fù)合材料在高溫制備時勢必會發(fā)生嚴(yán)重的界面反應(yīng)。陶瓷材料的高熔點以及其與基體材料的低潤濕性和較大線膨脹系數(shù)差異會導(dǎo)致界面結(jié)合問題。

目前納米陶瓷顆粒增強鎳基高溫合金傳統(tǒng)加工方法主要有粉末冶金法、鑄造、噴射沉積法、原位復(fù)合法等，這些方法都在處理材料組織的微觀晶體結(jié)構(gòu)方面存在一定的局限。

思萊姆智能科技納米陶瓷顆粒增強鎳基高溫合金制備方法采用的是選擇性激光融化技術(shù)3D打印技術(shù)，克服了傳統(tǒng)制備方法的局限, 改善了顆粒團聚和界面結(jié)合問題，并且可以加工成復(fù)雜零件的形狀，而無需工裝夾具或模具的支持，同時在這個過程中, 材料利用率高。

思萊姆智能科技采用的激光工藝參數(shù)為：激光光斑直徑70~100μm，激光功率120~160W，激光掃描速率300~500mm/s，激光掃描間距50~90μm。 通過粉末床鋪粉的技術(shù)來制造的復(fù)合材料產(chǎn)品，通過逐層鋪粉，逐層熔凝堆積，層層疊加，直至形成三維零件。打印材料以粒徑為15~45μm的鎳基高溫合金為基體，以粒徑為40~100nm的CrC為增強相，CrC添加的重量百分比為復(fù)合材料基體的2.0~8.0%。冷卻速率約為105~106 K/s，由于凝固速度很快，晶粒來不及長大，仍然保持有納米顆粒的特性，所制造的零件組織細(xì)小致密，且力學(xué)性能優(yōu)異。

納米CrC顆粒混雜增強鎳基高溫合金的復(fù)合材料零件具有良好的高溫耐腐蝕性、耐磨損性、高溫蠕變性等性能優(yōu)點，能夠滿足航空發(fā)動機熱端部件在高溫下的特殊性能要求；高能激光成形方法適用于難加工材料的制備和復(fù)雜零件的成形；無需成形模具，縮短了制造周期和成本。

除了納米陶瓷顆粒增強鎳基高溫合金，思萊姆智能科技還發(fā)明了3D打印制造多相納米陶瓷顆粒增強Al基復(fù)合材料的技術(shù)。這種Al基復(fù)合材料具有均勻細(xì)化的顯微組織和優(yōu)異的力學(xué)性能，具有高的比強度和比剛度、高彈性模量、耐磨性能好、高熱導(dǎo)率和低的熱膨脹系數(shù)的特點，綜合力學(xué)性能比相應(yīng)材料的傳統(tǒng)鑄造或粉末冶金制品性能水平提高25%以上。

思萊姆智能科技在多相納米陶瓷顆粒增強Al基復(fù)合材料的制備中選用復(fù)合材料基體為99.9%以上，粒度為25μm的AlSiMg 粉末，增強相為純度為99.9%以上，粒度為50μm的Al2O3，SiO2，TiN，TiC，ZnO，Y2O3粉末的復(fù)合體。通過選區(qū)激光融化技術(shù)，鋪粉厚度為50μm~70μm，激光光斑直徑為50μm~100μm，掃描間距為400μm~600μm，激光功率100W~150W，掃描速率為100mm/s~400 mm/s。 冷卻速率約為105~106 K/s，快速成形方法的熔化/凝固是一種高度非平衡過程，具有較高的過冷度和冷卻速率。

顆粒增強鋁基復(fù)合材料因其具有優(yōu)異性能逐漸成為鋁基復(fù)合材料的研究重點，此類材料已經(jīng)在航空航天、汽車及微電子等領(lǐng)域獲得規(guī)模應(yīng)用，請關(guān)注南極熊3d打印網(wǎng)，了解新型3d打印打印材料的最新信息。

來源：3d科學(xué)谷
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