Прорив порошку оксиду алюмінію в матеріалах для 3D-друку
Зайшовши до лабораторії Північно-Західного політехнічного університету, фотополимеризуючого3D-принтер ледь помітно гуде, а лазерний промінь точно рухається в керамічній суспензії. Всього за кілька годин керамічне осердя зі складною структурою, схожою на лабіринт, повністю представлено – його використовуватимуть для лиття лопаток турбін авіаційних двигунів. Професор Су Хайцзюнь, який відповідає за проєкт, вказав на делікатний компонент і сказав: «Три роки тому ми навіть не сміли думати про таку точність. Ключовий прорив прихований у цьому непомітному порошку оксиду алюмінію».
Колись глиноземна кераміка була схожа на «проблемного учня» в галузі...3D-друк– висока міцність, стійкість до високих температур, добра ізоляція, але після друку виникло багато проблем. За традиційних процесів порошок оксиду алюмінію має погану текучість і часто блокує друкувальну головку; коефіцієнт усадки під час спікання може сягати 15%-20%, а деталі, які були надруковані з великими зусиллями, деформуються та тріскаються, щойно їх випалюють; складні структури? Це ще більша розкіш. Інженери стурбовані: «Ця штука схожа на впертого художника, з дикими ідеями, але недостатньо рук».
1. Російська формула: Нанесення «керамічної броні» наалюмінійматриця
Поворотним моментом стала революція в дизайні матеріалів. У 2020 році вчені-матеріалознавці з Національного університету науки і технологій (НУТІ МІСІС) Росії оголосили про революційну технологію. Замість того, щоб просто змішувати порошок оксиду алюмінію, вони помістили високочистий алюмінієвий порошок в автоклав і за допомогою гідротермального окислення «виростили» шар плівки оксиду алюмінію з точно контрольованою товщиною на поверхні кожної алюмінієвої частинки, подібно до нанесення шару нанорівневої броні на алюмінієву кульку. Цей порошок зі «структурою ядро-оболонка» демонструє дивовижні характеристики під час лазерного 3D-друку (технологія SLM): твердість на 40% вища, ніж у чистих алюмінієвих матеріалів, а стійкість до високих температур значно покращена, що безпосередньо відповідає вимогам авіаційного класу.
Професор Олександр Громов, керівник проєкту, навів яскраву аналогію: «У минулому композитні матеріали були схожі на салати – кожен з них відповідав за свою справу; наші порошки – як бутерброди – алюміній та глинозем перекусують один одного шар за шаром, і жоден не може обійтися без іншого». Таке міцне зчеплення дозволяє матеріалу продемонструвати свою майстерність у деталях авіаційних двигунів та надлегких каркасах кузовів, і навіть починає кидати виклик титановим сплавам.
2. Китайська мудрість: магія «закріплення» кераміки
Найбільшою проблемою друку на кераміці з глинозему є усадка при спіканні – уявіть, що ви ретельно замісили глиняну фігурку, і вона зменшилася до розміру картоплі, щойно її помістили в піч. Наскільки вона зменшиться? На початку 2024 року результати, опубліковані командою професора Су Хайцзюня з Північно-Західного політехнічного університету в журналі Journal of Materials Science & Technology, вразили галузь: вони отримали керамічне ядро з глинозему з майже нульовою усадкою та коефіцієнтом усадки лише 0,3%.
Секрет полягає в тому, щоб додатиалюмінієвий порошокдо оксиду алюмінію, а потім відтворити точну «магію атмосфери».
Додати алюмінієвий порошок: Змішати 15% дрібного алюмінієвого порошку з керамічною суспензією
Контролюйте атмосферу: використовуйте захист аргоном на початку спікання, щоб запобігти окисленню алюмінієвого порошку.
Розумне перемикання: коли температура піднімається до 1400°C, раптово перемикається з атмосфери на повітря
Окислення in situ: алюмінієвий порошок миттєво плавиться на краплі та окислюється до оксиду алюмінію, а розширення об'єму компенсує стиснення
3. Революція сполучних речовин: алюмінієвий порошок перетворюється на «невидимий клей»
Поки російська та китайська команди наполегливо працюють над модифікацією порошку, непомітно дозрів інший технічний шлях – використання алюмінієвого порошку як сполучної речовини. Традиційна кераміка3D-друкЗв'язуючі речовини здебільшого є органічними смолами, які залишають порожнини при згорянні під час знежирення. Патент вітчизняної команди 2023 року використовує інший підхід: перетворення алюмінієвого порошку на зв'язувальну речовину на водній основі47.
Під час друку сопло точно розпилює «клей», що містить 50-70% алюмінієвого порошку, на шар порошку оксиду алюмінію. На етапі знежирення створюється вакуум і пропускається кисень, і алюмінієвий порошок окислюється до оксиду алюмінію при температурі 200-800°C. Характеристика об’ємного розширення понад 20% дозволяє йому активно заповнювати пори та зменшувати коефіцієнт усадки до менш ніж 5%. «Це еквівалентно демонтажу будівельних риштувань та одночасному будівництву нової стіни, заповнюючи власні дірки!» – так описав це один інженер.
4. Мистецтво частинок: перемога сферичного порошку
«Зовнішній вигляд» порошку оксиду алюмінію несподівано став ключем до проривів – цей зовнішній вигляд стосується форми частинок. У дослідженні, опублікованому в журналі «Open Ceramics» у 2024 році, порівнювали характеристики сферичних та нерегулярних порошків оксиду алюмінію при друку методом наплавленого осадження (CF³)5:
Сферичний порошок: тече, як дрібний пісок, коефіцієнт заповнення перевищує 60%, а друк гладкий і шовковистий
Нерівномірний порошок: застряг, як грубий цукор, в'язкість у 40 разів вища, а сопло заблоковане, що сумнівається в терміні служби
Ще краще те, що щільність деталей, надрукованих сферичним порошком, легко перевищує 89% після спікання, а обробка поверхні повністю відповідає стандарту. «Хто ще використовує «потворний» порошок? Текучість – це бойова ефективність!» – посміхнувся технік і підсумував.
Майбутнє: Зірки та моря співіснують з малим та прекрасним
Революція 3D-друку порошком оксиду алюмінію ще далеко не завершена. Військова промисловість взяла на себе ініціативу у застосуванні майже нульової усадки сердечників для виготовлення лопатей турбовентиляторів; біомедицина захопилася його біосумісністю та почала друкувати індивідуальні кісткові імплантати; електронна промисловість зосередилася на підкладках для розсіювання тепла – зрештою, теплопровідність та неелектрична провідність оксиду алюмінію незамінні.