Прарыў парашка алюмінію ў матэрыялах для 3D-друку
Зайшоўшы ў лабараторыю Паўночна-Заходняга політэхнічнага ўніверсітэта, светлапалімерызацыйную...3D-прынтар ціха гудзе, а лазерны прамень рухаецца дакладна ў керамічнай суспензіі. Усяго праз некалькі гадзін керамічны стрыжань са складанай структурай, падобнай на лабірынт, быў цалкам прадстаўлены — ён будзе выкарыстоўвацца для адліўкі лапатак турбін авіяцыйных рухавікоў. Прафесар Су Хайцзюнь, які адказвае за праект, паказаў на далікатны кампанент і сказаў: «Тры гады таму мы нават не адважваліся думаць пра такую дакладнасць. Ключавы прарыў схаваны ў гэтым непрыкметным парашку аксіду алюмінію».
Калісьці алюмініевая кераміка была падобная да «праблемнага вучня» ў галіне3D-друк– высокая трываласць, устойлівасць да высокіх тэмператур, добрая ізаляцыя, але пасля друку ўзнікла шмат праблем. Пры традыцыйных працэсах парашок аксіду алюмінію мае дрэнную цякучасць і часта блакуе друкавальную галоўку; узровень ўсаджвання падчас спякання можа дасягаць 15–20%, а дэталі, якія былі надрукаваны з вялікімі намаганнямі, дэфармуюцца і трэскаюцца, як толькі іх абпальваюць; складаныя структуры? Гэта яшчэ большая раскоша. Інжынеры занепакоеныя: «Гэтая рэч падобная на ўпартага мастака, з дзікімі ідэямі, але не хапае рук».
1. Расійская формула: нанясенне «керамічнай брані» наалюмінійматрыца
Паваротны момант адбыўся з рэвалюцыі ў дызайне матэрыялаў. У 2020 годзе навукоўцы-матэрыялісты з Нацыянальнага ўніверсітэта навукі і тэхналогій (НІТУ МІСІС) Расіі абвясцілі аб рэвалюцыйнай тэхналогіі. Замест таго, каб проста змешваць парашок аксіду алюмінію, яны змясцілі алюмініевы парашок высокай чысціні ў аўтаклаў і выкарысталі гідратэрмальнае акісленне, каб «выгадаваць» пласт плёнкі аксіду алюмінію з дакладна кантраляванай таўшчынёй на паверхні кожнай алюмініевай часціцы, гэтак жа, як наносіць пласт нанаўзроўневай брані на алюмініевы шар. Гэты парашок са «структурай ядро-абалонка» дэманструе дзіўную прадукцыйнасць падчас лазернага 3D-друку (тэхналогія SLM): цвёрдасць на 40% вышэйшая, чым у чыстых алюмініевых матэрыялаў, а стабільнасць пры высокіх тэмпературах значна палепшана, што непасрэдна адпавядае патрабаванням авіяцыйнага класа.
Прафесар Аляксандр Громаў, кіраўнік праекта, правёў яркую аналогію: «У мінулым кампазітныя матэрыялы былі падобныя да салатаў — кожны з іх займаўся сваёй справай; нашы парашкі падобныя да бутэрбродаў — алюміній і аксід алюмінію перакусваюць адзін аднаго пласт за пластом, і ні адзін не можа абысціся без іншага». Гэта моцнае злучэнне дазваляе матэрыялу праявіць сваю моц у дэталях авіяцыйных рухавікоў і звышлёгкіх каркасах кузаваў, і нават пачынае кідаць выклік тытанавым сплавам.
2. Кітайская мудрасць: магія «замацавання» керамікі
Найбольшай праблемай друку з аксіду алюмінію на кераміцы з'яўляецца ўсаджванне пры спяканні. Уявіце, што вы старанна мясіце гліняную фігурку, і яна сціскаецца да памеру бульбы, як толькі трапляе ў печ. Наколькі яна сціскаецца? У пачатку 2024 года вынікі, апублікаваныя камандай прафесара Су Хайцзюня з Паўночна-Заходняга політэхнічнага ўніверсітэта ў часопісе Journal of Materials Science & Technology, узрушылі галіну: яны атрымалі керамічнае ядро з аксіду алюмінію з амаль нулявой ўсаджваннем і каэфіцыентам ўсаджвання ўсяго 0,3%.
Сакрэт у тым, каб дадацьалюмініевы парашокда аксіду алюмінію, а затым прайграць дакладную «атмасферную магію».
Дадаць алюмініевы парашок: змяшаць 15% дробнага алюмініевага парашка з керамічнай суспензіяй
Кантралюйце атмасферу: выкарыстоўвайце абарону аргонавым газам у пачатку спякання, каб прадухіліць акісленне алюмініевага парашка.
Разумнае пераключэнне: калі тэмпература падымаецца да 1400°C, раптоўна пераключыце атмасферу на паветра
Акісленне на месцы: алюмініевы парашок імгненна плавіцца ў кроплі і акісляецца да аксіду алюмінію, а пашырэнне аб'ёму кампенсуе сцісканне.
3. Рэвалюцыя злучных рэчываў: алюмініевы парашок ператвараецца ў «нябачны клей»
Пакуль расійскія і кітайскія каманды старанна працуюць над мадыфікацыяй парашка, ціха выпрацаваўся іншы тэхнічны шлях — выкарыстанне алюмініевага парашка ў якасці звязальнага рэчыва. Традыцыйная кераміка3D-друкЗвязальныя рэчывы ў асноўным з'яўляюцца арганічнымі смоламі, якія пакідаюць поласці пры згаранні падчас абястлушчвання. Патэнт айчыннай каманды 2023 года выкарыстоўвае іншы падыход: ператварэнне алюмініевага парашка ў звязальнае рэчыва на воднай аснове47.
Падчас друку сопла дакладна распыляе «клей», які змяшчае 50-70% алюмініевага парашка, на пласт парашка аксіду алюмінію. На этапе абястлушчвання ствараецца вакуум і прапускаецца кісларод, і алюмініевы парашок акісляецца да аксіду алюмінію пры тэмпературы 200-800°C. Характарыстыка аб'ёмнага пашырэння больш за 20% дазваляе яму актыўна запаўняць пары і зніжаць узровень ўсаджвання да менш чым 5%. «Гэта эквівалентна дэмантажу будаўнічых рыштаванняў і адначасоваму будаўніцтву новай сцяны, запаўняючы ўласныя адтуліны!» — так апісаў гэта адзін інжынер.
4. Мастацтва часціц: перамога сферычнага парашка
«Знешні выгляд» парашка аксіду алюмінію нечакана стаў ключом да прарываў — гэты знешні выгляд адносіцца да формы часціц. У даследаванні, апублікаваным у часопісе «Open Ceramics» у 2024 годзе, параўноўваліся характарыстыкі сферычных і няправільных парашкоў аксіду алюмінію пры друку метадам плаўленага нанясення (CF³)5:
Сферычны парашок: цячэ як дробны пясок, хуткасць напаўнення перавышае 60%, а друк гладкі і шаўкавісты
Нерэгулярны парашок: прыліп, як буйны цукар, глейкасць у 40 разоў вышэйшая, а сопла заблакавана, каб сумнявацца ў тэрміне службы
Яшчэ лепш тое, што шчыльнасць дэталяў, надрукаваных сферычным парашком, пасля спякання лёгка перавышае 89%, а аздабленне паверхні цалкам адпавядае стандарту. «Хто ўсё яшчэ выкарыстоўвае «непрыгожы» парашок? Цякучасць — гэта баявая эфектыўнасць!» — усміхнуўся тэхнік і зрабіў выснову5.
Будучыня: Зоркі і моры суіснуюць з малым і прыгожым
Рэвалюцыя 3D-друку парашком аксіду алюмінію далёка не скончана. Ваенная прамысловасць узяла на сябе ініцыятыву ў выкарыстанні стрыжняў з амаль нулявой ўсаджваннем для вырабу лапатак турбавентылятараў; біямедыцынская галіна скарысталася яго біясумяшчальнасцю і пачала друкаваць касцяныя імплантаты па індывідуальных заказах; электронная прамысловасць сканцэнтравалася на падкладках для рассейвання цяпла — у рэшце рэшт, цеплаправоднасць і неэлектрычная праводнасць аксіду алюмінію незаменныя.