俄羅斯國立科技大學(xué)開發(fā)新金屬粉末有效提高3D打印航空零件強(qiáng)度

增材制造(AM)在科學(xué)技術(shù)的各個領(lǐng)域得到了深入實(shí)施，如生物醫(yī)學(xué)、建筑、儀器生產(chǎn)、空間系統(tǒng)工程、機(jī)器人技術(shù)等。AM在鑄造、合金化、粉末冶金和其他有關(guān)原材料來源及其應(yīng)用方法的傳統(tǒng)制造方法方面存在很大差異。此外，與通過傳統(tǒng)冶金方法獲得的類似物相比，3D打印金屬的性能差異很大。

盡管人們對AM越來越感興趣，但是一些限制阻礙了AM的深入發(fā)展。其中之一是可用粉末的名稱，即3D打印的原料。通常，增材印刷設(shè)備的制造商會為每種特定的打印機(jī)提供特定的粉末，這些粉末可滿足以下要求：所需的顆粒形狀和大小，組成和顆粒分布的均勻性，氣體雜質(zhì)的含量，粉末的純度等。在AM技術(shù)中特別關(guān)注的是金屬3D打印，它允許獲得具有增強(qiáng)的技術(shù)和操作性能的3D打印對象。用于3D打印*廣的金屬是鈦、銅、鎳、鋁及其合金的各種成分。

近來，含金屬的復(fù)合材料已被廣泛用于增材制造。由含金屬的復(fù)合材料生產(chǎn)增材制造的*常見方法是：熔融沉積建模（FDM），直接金屬沉積（DMD）和選擇性激光熔化（SLM）。FDM方法基于初始材料的擠出，是*常見的增材制造方法之一。鋁合金及其復(fù)合材料由于其低質(zhì)量、高比強(qiáng)度以及高耐腐蝕性而在航空航天和汽車工業(yè)中具有競爭優(yōu)勢。在各種鋁合金中，Al-Si合金由于高溫強(qiáng)度高、耐腐蝕和耐磨性以及低的熱膨脹系數(shù)而處于*地位。除了高機(jī)械性能外，Al-Si合金還具有相對較低的收縮率和較低的裂紋形成趨勢。

但是，金屬3D打印中存在一個未解決的巨大問題：由于初始材料的質(zhì)量低、打印參數(shù)選擇錯誤、粉末中的殘留氣體、溶解氫的釋放或初始粉末材料的寬尺寸分布曲線，可能出現(xiàn)高殘留孔隙率(圖1)。這些因素對*終的3D打印產(chǎn)品具有負(fù)面影響，因?yàn)橛纱水a(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力和缺陷在激光的影響下趨于增長。簡而言之，在三維分層中，重要的是使用可以為*終產(chǎn)品提供均勻且致密微觀結(jié)構(gòu)的初始材料。

性能改善和優(yōu)化的方法之一是對金屬粉末進(jìn)行化學(xué)改性，這將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)部件的細(xì)化，并對3D產(chǎn)品性能產(chǎn)生積極影響。此外，在許多情況下需要化學(xué)改性來增加3D產(chǎn)品的機(jī)械強(qiáng)度和硬度。在某些情況下，改性添加劑應(yīng)能有效地將晶粒尺寸減小到其*小濃度。金屬粉末的改性可以通過在微米大小的顆粒表面應(yīng)用各種納米管來實(shí)現(xiàn)。例如，碳納米管(carbonnanotubes,CNTs)對鋁基復(fù)合材料的3D打印特別感興趣，因?yàn)樗鼈兛梢詮?qiáng)烈影響一系列有價(jià)值的材料性能。碳納米管具有低密度、低熱膨脹系數(shù)和高熱導(dǎo)率。碳納米管在3D打印中的應(yīng)用非常有意義，因?yàn)樗鼈兛梢燥@著增加打印材料的強(qiáng)度和剛性。它們的高導(dǎo)熱性有助于將印刷層之間的溫度梯度降至*低。基于碳納米管的復(fù)合材料在航空、汽車、火箭科學(xué)和航天技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用。

用新的金屬粉末在3D打印機(jī)上打印的航空零件。圖片來源：SergeyGnuskov/NUSTMISIS

通過向主基質(zhì)中引入其他成分來改變印刷用粉末的化學(xué)和相組成，可以改善其性能。特別是，碳納米纖維具有很高的導(dǎo)熱性，這有助于在產(chǎn)品合成時*大程度地減少產(chǎn)品合成過程中印刷層之間的溫度梯度。因此，材料的微觀結(jié)構(gòu)幾乎可以從不均勻性中消除。

研究小組開發(fā)的合成納米碳增材的技術(shù)包括化學(xué)沉積、超聲處理和紅外熱處理的方法。用過的碳納米纖維必須是伴隨石油天然氣加工的副產(chǎn)物。在催化分解過程中，碳以納米纖維的形式聚集在催化劑的分散金屬顆粒上。通常，目前伴生氣體在田間簡單燃燒，對環(huán)境造成危害。因此，這種新方法的應(yīng)用也具有重要的環(huán)境意義。

該研究是與俄羅斯博雷斯科夫催化研究所的專家共同進(jìn)行的。將來，該研究小組計(jì)劃確定選擇性激光熔化新復(fù)合粉末的*佳條件，并開發(fā)一種用于合成產(chǎn)品的后處理和工業(yè)用途的技術(shù)。

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