國內(nèi)正積極研發(fā)3D打印納米陶瓷增強(qiáng)合金技術(shù)

      我們通常所說的納米陶瓷材料是利用納米粉體對(duì)現(xiàn)有陶瓷進(jìn)行改性，通過往陶瓷中加入或生成納米級(jí)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(dá)到納米水平，使材料的強(qiáng)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(jī)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(jī)粘土燒結(jié)形成納米級(jí)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(qiáng)鎳基高溫合金，以及多相納米陶瓷顆粒增強(qiáng)Al基復(fù)合材料的工藝。通過材料的進(jìn)步提升產(chǎn)品的性能，這項(xiàng)技術(shù)或許如GE的小小“噴油嘴”一樣，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能起到四兩撥千斤的大作用。本期，小編參考江蘇思萊姆智能科技所擁有的技術(shù)專利與大家一起來領(lǐng)略國內(nèi)在這一領(lǐng)域的探索。

不再粗化的晶粒

納米陶瓷增強(qiáng)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(gè)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(dòng)機(jī)、各種工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的*熱端部件。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)*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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口溫度進(jìn)一步提高，解決發(fā)動(dòng)機(jī)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(qiáng)鎳基高溫合金的制備比微米級(jí)和亞微米級(jí)的要復(fù)雜和困難的多。主要難點(diǎn)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(qiáng)的團(tuán)聚作用，而且陶瓷顆粒與基體金屬密度差異大，易引發(fā)團(tuán)聚，降低增強(qiáng)相顆粒對(duì)基體金屬的強(qiáng)化效應(yīng)；

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

目前納米陶瓷顆粒增強(qiáng)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(qiáng)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(tuán)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(shí)在這個(gè)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(qiáng)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(zhǎng)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(qiáng)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(diǎn)，能夠滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(diǎn)，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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(diǎn)，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。