我們通常所說的納米陶瓷材料是利用納米粉體對現有陶瓷進行改性，通過往陶瓷中加入或生成納米級顆粒、晶須、晶片纖維等，使晶粒、晶界以及他們之間的結合都達到納米水平，使材料的強度、韌性和超塑性大幅度提高。國內包括成都新柯力化工科技通過激光燒結，將納米陶瓷顆粒與無機粘土混合，通過激光燒結，借助激光快速加熱和冷卻的特性，將無機粘土燒結形成納米級的陶瓷晶粒。

    而隨著3D打印技術的發展，國內外出現了通過SLM技術制備納米陶瓷增強鎳基高溫合金，以及多相納米陶瓷顆粒增強Al基復合材料的工藝。通過材料的進步提升產品的性能，這項技術或許如GE的小小“噴油嘴”一樣，對發動機的性能起到四兩撥千斤的大作用。本期，3D科學谷參考江蘇思萊姆智能科技所擁有的技術專利與谷友一起來領略國內在這一領域的探索。

    不再粗化的晶粒

    納米陶瓷增強鎳基高溫合金在高溫下具有良好的組織穩定性和使用可靠性，在整個高溫合金領域占有重要的地位，被廣泛地用來制造航空噴氣發動機、各種工業燃氣輪機的最熱端部件。

    航空發動機最重要的性能參數之一是推重比。隨著航空事業的發展，現代航空發動機不斷追求更高的推重比。隨著推重比的增加，必然導致高性能航空發動機渦輪進口溫度進一步提高，解決發動機熱端部件材料的耐熱問題越來越凸顯其重要性。

    然而， 納米陶瓷顆粒增強鎳基高溫合金的制備比微米級和亞微米級的要復雜和困難的多。主要難點在于：

    一：巨大的比表面所產生的表面能使具有納米尺寸的物體之間存在極強的團聚作用，而且陶瓷顆粒與基體金屬密度差異大，易引發團聚，降低增強相顆粒對基體金屬的強化效應；

    二：納米陶瓷顆粒增強金屬基復合材料在高溫制備時勢必會發生嚴重的界面反應。陶瓷材料的高熔點以及其與基體材料的低潤濕性和較大線膨脹系數差異會導致界面結合問題。

    目前納米陶瓷顆粒增強鎳基高溫合金傳統加工方法主要有粉末冶金法、鑄造、噴射沉積法、原位復合法等，這些方法都在處理材料組織的微觀晶體結構方面存在一定的局限。

    思萊姆智能科技納米陶瓷顆粒增強鎳基高溫合金制備方法采用的是選擇性激光融化技術3D打印技術，克服了傳統制備方法的局限， 改善了顆粒團聚和界面結合問題，并且可以加工成復雜零件的形狀，而無需工裝夾具或模具的支持，同時在這個過程中， 材料利用率高。

    思萊姆智能科技采用的激光工藝參數為：激光光斑直徑70~100μm，激光功率120~160W，激光掃描速率300~500mm/s，激光掃描間距50~90μm。 通過粉末床鋪粉的技術來制造的復合材料產品，通過逐層鋪粉，逐層熔凝堆積，層層疊加，直至形成三維零件。打印材料以粒徑為15~45μm的鎳基高溫合金為基體，以粒徑為40~100nm的CrC為增強相，CrC添加的重量百分比為復合材料基體的2.0~8.0%。冷卻速率約為105~106 K/s，由于凝固速度很快，晶粒來不及長大，仍然保持有納米顆粒的特性，所制造的零件組織細小致密，且力學性能優異。

    納米CrC顆粒混雜增強鎳基高溫合金的復合材料零件具有良好的高溫耐腐蝕性、耐磨損性、高溫蠕變性等性能優點，能夠滿足航空發動機熱端部件在高溫下的特殊性能要求；高能激光成形方法適用于難加工材料的制備和復雜零件的成形；無需成形模具，縮短了制造周期和成本。

    除了納米陶瓷顆粒增強鎳基高溫合金，思萊姆智能科技還發明了3D打印制造多相納米陶瓷顆粒增強Al基復合材料的技術。這種Al基復合材料具有均勻細化的顯微組織和優異的力學性能，具有高的比強度和比剛度、高彈性模量、耐磨性能好、高熱導率和低的熱膨脹系數的特點，綜合力學性能比相應材料的傳統鑄造或粉末冶金制品性能水平提高25%以上。

    思萊姆智能科技在多相納米陶瓷顆粒增強Al基復合材料的制備中選用復合材料基體為99.9%以上，粒度為25μm的AlSiMg 粉末，增強相為純度為99.9%以上，粒度為50μm的Al2O3，SiO2，TiN，TiC，ZnO，Y2O3粉末的復合體。通過選區激光融化技術，鋪粉厚度為50μm~70μm，激光光斑直徑為50μm~100μm，掃描間距為400μm~600μm，激光功率100W~150W，掃描速率為100mm/s~400 mm/s。 冷卻速率約為105~106 K/s，快速成形方法的熔化/凝固是一種高度非平衡過程，具有較高的過冷度和冷卻速率。

    顆粒增強鋁基復合材料因其具有優異性能逐漸成為鋁基復合材料的研究重點，此類材料已經在航空航天、汽車及微電子等領域獲得規模應用。

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責任編輯：王元

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