Gjennombrudd for aluminapulver i 3D-printingsmaterialer
Går inn i laboratoriet ved Northwestern Polytechnical University, et lysherdende3D-skriver summer svakt, og laserstrålen beveger seg presist i den keramiske oppslemmingen. Bare noen få timer senere er en keramisk kjerne med en kompleks struktur som en labyrint fullt presentert – den skal brukes til å støpe turbinbladene til flymotorer. Professor Su Haijun, som er ansvarlig for prosjektet, pekte på den delikate komponenten og sa: «For tre år siden turte vi ikke engang å tenke på slik presisjon. Det viktigste gjennombruddet er skjult i dette uanselige aluminapulveret.»
Det var en gang i tiden at aluminakeramikk var som en «problemstudent» innen3D-utskrift– høy styrke, høy temperaturbestandighet, god isolasjon, men når det først var trykket, opplevde det mange problemer. Under tradisjonelle prosesser har aluminapulver dårlig flyteevne og blokkerer ofte skrivehodet; krympehastigheten under sintring kan være så høy som 15–20 %, og delene som ble trykket med stor innsats vil deformeres og sprekke så snart de brennes; komplekse strukturer? Det er enda mer luksus. Ingeniører er bekymret: «Denne tingen er som en sta kunstner, med ville ideer, men ikke nok hender.»
1. Russisk formel: Å sette «keramisk rustning» påaluminiummatrise
Vendepunktet kom først fra revolusjonen innen materialdesign. I 2020 annonserte materialforskere fra det nasjonale universitetet for vitenskap og teknologi (NUST MISIS) i Russland en banebrytende teknologi. I stedet for bare å blande aluminiumoksidpulver, la de høyrent aluminiumpulver i en autoklav og brukte hydrotermisk oksidasjon til å «dyrke» et lag med aluminiumoksidfilm med en nøyaktig kontrollerbar tykkelse på overflaten av hver aluminiumpartikkel, akkurat som å legge et lag med nanonivåpanser på aluminiumskulen. Dette «kjerne-skallstruktur»-pulveret viser fantastisk ytelse under laser 3D-printing (SLM-teknologi): hardheten er 40 % høyere enn for rene aluminiumsmaterialer, og høytemperaturstabiliteten er kraftig forbedret, noe som direkte oppfyller kravene til luftfart.
Professor Alexander Gromov, prosjektlederen, kom med en levende analogi: «Tidligere var komposittmaterialer som salater – hver av dem hadde ansvaret for sine egne saker; pulverne våre er som smørbrød – aluminium og alumina biter i hverandre lag for lag, og ingen av dem kan klare seg uten den andre.» Denne sterke koblingen lar materialet vise sin dyktighet i flymotordeler og ultralette karosserirammer, og begynner til og med å utfordre titanlegeringenes territorium.
2. Kinesisk visdom: magien med å «sette» keramikk
Det største smertepunktet ved trykking av aluminakeramikk er krymping ved sintring – tenk deg at du forsiktig elter en leirefigur, og at den krymper til størrelsen på en potet så snart den kommer inn i ovnen. Hvor mye ville den kollapse? Tidlig i 2024 satte resultatene publisert av professor Su Haijuns team ved Northwestern Polytechnical University i Journal of Materials Science & Technology fart på bransjen: de fikk en aluminakeramikkkjerne med nesten null krymping og en krympingsrate på bare 0,3 %.
Hemmeligheten er å legge tilaluminiumspulvertil alumina og deretter spille en presis «atmosfæremagi».
Tilsett aluminiumpulver: Bland 15 % fint aluminiumpulver inn i den keramiske oppslemmingen
Kontroller atmosfæren: Bruk argongassbeskyttelse i begynnelsen av sintringen for å forhindre at aluminiumpulver oksiderer
Smart veksling: Når temperaturen stiger til 1400 °C, bytter du plutselig atmosfæren til luft
In-situ oksidasjon: Aluminiumpulver smelter umiddelbart til dråper og oksiderer til aluminiumoksid, og volumutvidelse oppveier sammentrekning
3. Bindemiddelrevolusjonen: aluminiumspulver blir til «usynlig lim»
Mens de russiske og kinesiske teamene jobber hardt med pulvermodifisering, har en annen teknisk metode i det stille modnet – bruk av aluminiumspulver som bindemiddel.3D-utskriftBindemidlene er for det meste organiske harpikser, som vil etterlate hulrom når de brennes under avfetting. Et innenlandsk lags patent fra 2023 har en annen tilnærming: å lage aluminiumspulver til et vannbasert bindemiddel47.
Under utskriften sprøyter dysen nøyaktig «lim» som inneholder 50–70 % aluminiumspulver på laget av aluminiumoksidpulver. Når det gjelder avfettingsfasen, trekkes det vakuum og oksygen føres gjennom, og aluminiumspulveret oksideres til aluminiumoksid ved 200–800 °C. Egenskapen med volumutvidelse på mer enn 20 % gjør at den aktivt fyller porene og reduserer krympingsraten til under 5 %. «Det tilsvarer å demontere stillaset og bygge en ny vegg samtidig, og fylle sine egne hull!» beskrev en ingeniør det slik.
4. Partikkelkunsten: seieren til sfærisk pulver
«Utseendet» til aluminapulver har uventet blitt nøkkelen til gjennombrudd – dette utseendet refererer til partikkelformen. En studie i tidsskriftet «Open Ceramics» i 2024 sammenlignet ytelsen til sfæriske og uregelmessige aluminapulver i smeltet avsetning (CF³)-trykking5:
Sfærisk pulver: flyter som fin sand, fyllingsgraden overstiger 60 %, og trykket er glatt og silkemykt
Uregelmessig pulver: fast som grovt sukker, viskositeten er 40 ganger høyere, og dysen er blokkert for å tvile på livet
Enda bedre er det at tettheten til delene som er trykt med sfærisk pulver lett overstiger 89 % etter sintring, og overflatefinishen oppfyller standarden. «Hvem bruker fortsatt «stygg» pulver nå? Flytende egenskaper er effektiv kamp!» En tekniker smilte og konkluderte.
Fremtid: Stjerner og hav sameksisterer med det små og vakre
3D-printingsrevolusjonen med aluminapulver er langt fra over. Militærindustrien har tatt ledelsen i å bruke kjerner med nesten null krymping for å produsere turbovifteblader; det biomedisinske feltet har fattet interesse for biokompatibilitet og begynt å skrive ut tilpassede beinimplantater; elektronikkindustrien har rettet seg mot varmeavledningssubstrater – tross alt er den termiske ledningsevnen og den ikke-elektriske ledningsevnen til alumina uerstattelig.