俄羅斯國立科技大學開發新金屬粉末有效提高3D打印航空零件強度

增材制造(AM)在科學技術的各個領域得到了深入實施，如生物醫學、建筑、儀器生產、空間系統工程、機器人技術等。AM在鑄造、合金化、粉末冶金和其他有關原材料來源及其應用方法的傳統制造方法方面存在很大差異。此外，與通過傳統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，增材印刷設備的制造商會為每種特定的打印機提供特定的粉末，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，氣體雜質的含量，粉末的純度等。在AM技術中特別關注的是金屬3D打印，它允許獲得具有增強的技術和操作性能的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，含金屬的復合材料已被廣泛用于增材制造。由含金屬的復合材料生產增材制造的*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。鋁合金及其復合材料由于其低質量、高比強度以及高耐腐蝕性而在航空航天和汽車工業中具有競爭優勢。在各種鋁合金中，Al-Si合金由于高溫強度高、耐腐蝕和耐磨性以及低的熱膨脹系數而處于*地位。除了高機械性能外，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：由于初始材料的質量低、打印參數選擇錯誤、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，可能出現高殘留孔隙率(圖1)。這些因素對*終的3D打印產品具有負面影響，因為由此產生的內部應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*終產品提供均勻且致密微觀結構的初始材料。

性能改善和優化的方法之一是對金屬粉末進行化學改性，這將導致結構部件的細化，并對3D產品性能產生積極影響。此外，在許多情況下需要化學改性來增加3D產品的機械強度和硬度。在某些情況下，改性添加劑應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用各種納米管來實現。例如，碳納米管(carbonnanotubes,CNTs)對鋁基復合材料的3D打印特別感興趣，因為它們可以強烈影響一系列有價值的材料性能。碳納米管具有低密度、低熱膨脹系數和高熱導率。碳納米管在3D打印中的應用非常有意義，因為它們可以顯著增加打印材料的強度和剛性。它們的高導熱性有助于將印刷層之間的溫度梯度降至*低。基于碳納米管的復合材料在航空、汽車、火箭科學和航天技術中有著廣泛的應用。

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

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

研究小組開發的合成納米碳增材的技術包括化學沉積、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，對環境造成危害。因此，這種新方法的應用也具有重要的環境意義。

該研究是與俄羅斯博雷斯科夫催化研究所的專家共同進行的。將來，該研究小組計劃確定選擇性激光熔化新復合粉末的*佳條件，并開發一種用于合成產品的后處理和工業用途的技術。

相關新聞