我們通常所說的納米陶瓷材料是利用納（nà）米粉體對現有陶瓷進行改性，通過往陶（táo）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（de）結（jié）合都達到納米水平，使材料的強度、韌性和超（chāo）塑性大幅度（dù）提高。國內包括成都新柯力化工科技通過激光燒（shāo）結，將納米陶（táo）瓷顆粒與（yǔ）無機粘土（tǔ）混合，通過激光燒結，借（jiè）助激光快（kuài）速加熱和冷卻的特性（xìng），將（jiāng）無機粘土燒結（jié）形成納米級的（de）陶瓷晶（jīng）粒。

 

而隨著3D打印技術的發展，國內外出現了通過SLM技術製備納米陶瓷增強鎳基高溫合金，以及（jí）多相納米（mǐ）陶瓷顆粒增強Al基複合材料的工（gōng）藝。通過材料的進步（bù）提升產品的性能，這（zhè）項技術或許如GE的小（xiǎo）小“噴油嘴”一樣，對發（fā）動機的性能（néng）起到四兩撥千斤的大（dà）作用。本期，3D科學穀參考江（jiāng）蘇思萊姆智能科技所擁有的（de）技術專利與穀友一起來領略（luè）國內在這一領域的（de）探索。

 

 

不再粗化

的晶粒

 

納米陶瓷增強鎳基高溫合（hé）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（hé）金領域占（zhàn）有重要的地位，被廣泛地用來製造航空噴氣發動機、各種工業燃氣輪機的最熱端部件。

 

航空發動機最重要的性（xìng）能參數之一是推重比。隨著航空事業的發（fā）展，現代航空發（fā）動機不斷（duàn）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（jiàn）材料的耐熱問（wèn）題越來越凸顯其重要性。

 

然而, 納米陶瓷顆粒增強鎳基高溫（wēn）合金的製備比微米級和亞（yà）微米級的要複雜和困（kùn）難的多。主要難點在於：

 

一：巨大的比表麵所產生的表麵能使具有納（nà）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（qiáng）化效應（yīng）；

 

二（èr）：納米（mǐ）陶瓷顆粒增強金屬基複合材料在高溫製備時勢必會發生嚴重的（de）界麵反應。陶瓷材料的高熔點以及其與基體材料的低潤濕性和較（jiào）大線（xiàn）膨脹係數差異會導致（zhì）界麵結合問題。

 

目前納米陶瓷顆（kē）粒增強鎳基高溫合金傳統加工方法主要有粉末冶（yě）金法、鑄造、噴射沉積法、原位（wèi）複合法等，這些（xiē）方法都在（zài）處理材料組織（zhī）的微（wēi）觀晶體結構方麵存在一定的局限。

 

思萊姆智能科技納米陶（táo）瓷顆粒增強鎳基高（gāo）溫合金製備方法采用的是（shì）選擇性激光融化技術3D打印技術（shù），克（kè）服了傳統（tǒng）製（zhì）備方法的局限, 改善了顆粒團（tuán）聚和界麵結合問題（tí），並且可以加工成複雜零件的形狀（zhuàng），而（ér）無需工裝夾具或（huò）模具的支持，同時在這個過程中, 材料利用（yòng）率高。

 

思（sī）萊姆智能（néng）科技采用的激光工藝參數（shù）為：激光（guāng）光斑（bān）直徑70~100μm，激（jī）光功率120~160W，激（jī）光掃描速率300~500mm/s，激光掃描間距50~90μm。 通過粉末床鋪粉的（de）技術來製造的複合材料產品，通過逐層（céng）鋪粉，逐（zhú）層（céng）熔凝堆積，層層（céng）疊加（jiā），直至形成三維零件。打印材料（liào）以粒（lì）徑為15~45μm的鎳基（jī）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（bǐ）為複合材料基體的2.0~8.0%。冷卻速率約為105~106 K/s，由於凝固（gù）速度很快（kuài），晶粒來不（bú）及長大，仍然保持（chí）有納米（mǐ）顆粒的特性，所製（zhì）造的零件組織細小致密，且（qiě）力（lì）學性能優（yōu）異。

 

納米CrC顆粒混雜增強鎳基高溫合金的複合材（cái）料零件具（jù）有良（liáng）好的高溫耐腐（fǔ）蝕性、耐磨損（sǔn）性、高溫蠕變性等性能優點，能夠（gòu）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（jī）光成形方法適用於難加工材料的製（zhì）備和複（fù）雜零件的成形；無需成形模具，縮短了製造周期和成本。

 

除了納（nà）米陶瓷顆粒增強鎳基高溫合金，思萊姆智能科（kē）技還發明了3D打印製造多相納（nà）米陶瓷顆粒（lì）增強Al基複合材料的技術（shù）。這種Al基複合材料具有均勻細化的（de）顯微組織（zhī）和優異的力學性能，具有高的比強（qiáng）度和比剛度、高彈性模量、耐磨性能好（hǎo）、高熱導率和（hé）低的（de）熱膨（péng）脹係數的特點（diǎn），綜合力學性（xìng）能比相（xiàng）應（yīng）材料的傳統鑄造或粉末冶金製（zhì）品性能水平提高25%以上。

 

思萊姆（mǔ）智能科技在多（duō）相納米陶瓷顆粒增強Al基（jī）複合材料（liào）的（de）製備中選用複合材料基體為99.9%以上，粒度為25μm的AlSiMg 粉末（mò），增強相（xiàng）為純度為99.9%以上，粒度為50μm的Al2O3，SiO2，TiN，TiC，ZnO，Y2O3粉末的複合體。通過選區激光融化技術，鋪粉厚度為50μm~70μm，激光光（guāng）斑（bān）直徑為50μm~100μm，掃描間距為400μm~600μm，激光功率（lǜ）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（lěng）度和冷卻速率（lǜ）。

 

顆粒增強鋁基複合材料因其具有優（yōu）異性能逐漸成為鋁基（jī）複合材料的研究（jiū）重點，此類材料已經（jīng）在航（háng）空航天、汽車及微電子等領域獲得規模應用。