我們通（tōng）常所說的納米陶瓷材料是利用納米粉體（tǐ）對（duì）現有陶瓷進行改性，通過往陶瓷中加（jiā）入或生成納米級顆粒、晶須、晶片纖（xiān）維等，使晶粒、晶界（jiè）以（yǐ）及他們之間的結合都達到納米（mǐ）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（mǐ）陶瓷顆（kē）粒與無機粘土混（hún）合，通過激光燒結，借（jiè）助激光快速加熱和冷卻的（de）特（tè）性，將（jiāng）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技術製備納米陶瓷增強（qiáng）鎳基高溫合金，以及多相納米陶瓷顆粒增強Al基複合材料的工藝。通過材料的進步提升產品的性能，這項技術或（huò）許如GE的小小“噴油嘴”一樣，對發動機的性能起到四兩（liǎng）撥千斤的大作用。本（běn）期，3D科學穀參考江（jiāng）蘇思萊姆智能科技所擁有的技術專利（lì）與穀友一起來領略國內在這（zhè）一領域的探索。

 

 

不再粗化

的晶粒

 

納米陶（táo）瓷增強鎳（niè）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（yǒu）重要的地位，被廣泛地用來製造航空噴氣（qì）發動（dòng）機、各種工業燃氣（qì）輪機的最熱端部（bù）件。

 

航空發動機最（zuì）重要（yào）的性能參數之一是推（tuī）重比。隨著航空事業的發（fā）展，現代航空發動（dòng）機（jī）不斷追（zhuī）求更高的推重比。隨（suí）著（zhe）推重比的增加，必然導致高性能航空發動機渦輪進（jìn）口溫度進一步提高，解決發動（dòng）機熱端部件材料的耐（nài）熱問題越來越凸顯其重要性。

 

然而, 納米陶瓷顆粒增強（qiáng）鎳基高溫合金的製備比微米級和亞微米級（jí）的要複雜和困（kùn）難（nán）的多（duō）。主要難點在於：

 

一：巨大的比表麵所產生（shēng）的表麵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（lì）與基體金屬密度差異大，易引發團聚，降低（dī）增強相（xiàng）顆粒對基體金屬（shǔ）的強化效應（yīng）；

 

二：納米陶瓷顆（kē）粒增（zēng）強金屬基複合材（cái）料在高溫製備時勢必會發生嚴重的界麵反應。陶（táo）瓷材料的高熔點以及其與基體材料的低潤濕性和較（jiào）大線膨脹係數差異（yì）會導致界麵結合問題。

 

目前（qián）納米陶瓷顆粒增強鎳基高（gāo）溫合金傳統加工方法主要有粉末冶金法、鑄造（zào）、噴（pēn）射沉（chén）積法、原位複合法等，這些方法都在處（chù）理（lǐ）材料組織的微觀晶體結構方麵存（cún）在一定的局限。

 

思萊姆智能科技納米陶（táo）瓷顆粒增強鎳基高溫合金製備方法采用的是選擇（zé）性激光融化技術3D打印技術，克服了傳統製（zhì）備方法的局限, 改善了顆粒團聚（jù）和界麵結（jié）合問題，並且可以加（jiā）工成複雜零件的形狀，而無需工裝夾具或模具（jù）的支持（chí），同時在（zài）這個過程中, 材料利用率高。

 

思（sī）萊姆智能科技采用的激光工藝參數為：激光光（guāng）斑直徑70~100μm，激（jī）光功（gōng）率120~160W，激光掃描（miáo）速率300~500mm/s，激光掃描間距50~90μm。 通過（guò）粉末床（chuáng）鋪粉的技術來（lái）製造的複合材料產品，通過逐層鋪粉，逐層熔凝堆積（jī），層層疊加（jiā），直至形成三維零件。打印材料以粒徑為（wéi）15~45μm的鎳基高溫合金為基體，以粒徑（jìng）為40~100nm的CrC為增強相，CrC添加的重量百分比為複合材料基體的2.0~8.0%。冷卻速（sù）率約為105~106 K/s，由於凝固速度很快，晶粒來不及長大，仍然保持有納米顆粒（lì）的特性，所（suǒ）製（zhì）造的零件（jiàn）組織（zhī）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複合材料（liào）零件具有良好的（de）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（de）特殊性能要求；高能激光成形方法適用於難（nán）加工材料的製備（bèi）和複雜零件的成（chéng）形；無需成形模具，縮短了製造周期和成本。

 

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打印製造多相納米陶瓷顆（kē）粒增強Al基（jī）複合材料的技術。這種Al基複合材料具有均勻（yún）細化的顯微組織和優異的力學（xué）性能，具有高的比強度和比剛度、高彈性模量、耐磨性（xìng）能好、高（gāo）熱導率和低的熱膨脹係（xì）數的（de）特點，綜合力學性能（néng）比相應材料的傳統鑄造或粉末冶金（jīn）製品性能水平（píng）提高（gāo）25%以上。

 

思萊姆智能科技在多相納米陶瓷顆（kē）粒增強Al基（jī）複合（hé）材料（liào）的製備中選用（yòng）複合材料基體為（wéi）99.9%以上，粒度（dù）為（wéi）25μm的AlSiMg 粉末，增（zēng）強相（xiàng）為純度（dù）為99.9%以上，粒度為50μm的Al2O3，SiO2，TiN，TiC，ZnO，Y2O3粉（fěn）末的複合體。通過選區激（jī）光融化技術，鋪粉厚度為50μm~70μm，激光光斑直徑為（wéi）50μm~100μm，掃描間距為400μm~600μm，激光功率100W~150W，掃描速（sù）率為100mm/s~400 mm/s。 冷（lěng）卻（què）速率約為（wéi）105~106 K/s，快速成形方法的熔化/凝固（gù）是一種高度非平衡過程，具有較高的過（guò）冷度和冷卻速率。

 

顆粒（lì）增強鋁基複合（hé）材料因其（qí）具有優異性能逐漸成為鋁基複合材料的研究重點，此類材料已經在航空航天（tiān）、汽車及微電（diàn）子等領域（yù）獲得規模應用。