俄罗斯国立科大丨开发新金属粉末有效提高3D打印航空零件的强度

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俄罗斯国立科技大学NUST MISIS的科学家改进了铝的3D打印技术，使产品的硬度提高了1.5倍。他们开发的CNTs/nAl2O3粉是从加工相关的石油气产品中获得的，将改善3D打印的航空航天复合材料的质量。相关研究该结果发表在国际杂志《Composites Communications》上。

增材制造(AM)在科学技术的各个领域得到了深入实施，如生物医学、建筑、仪器生产、空间系统工程、机器人技术等。AM在铸造、合金化、粉末冶金和其他有关原材料来源及其应用方法的传统制造方法方面存在很大差异。此外，与通过传统冶金方法获得的类似物相比，3D打印金属的性能差异很大。、

尽管人们对AM越来越感兴趣，但是一些限制阻碍了AM的深入发展。其中之一是可用粉末的名称，即3D打印的原料。通常，增材印刷设备的制造商会为每种特定的打印机提供特定的粉末，这些粉末可满足以下要求：所需的颗粒形状和大小，组成和颗粒分布的均匀性，气体杂质的含量，粉末的纯度等。在AM技术中特别关注的是金属3D打印，它允许获得具有增强的技术和操作性能的3D打印对象。用于3D打印最广的金属是钛、铜、镍、铝及其合金的各种成分。

近来，含金属的复合材料已被广泛用于增材制造。由含金属的复合材料生产增材制造的最常见方法是：熔融沉积建模（FDM），直接金属沉积（DMD）和选择性激光熔化（SLM）。FDM方法基于初始材料的挤出，是最常见的增材制造方法之一。铝合金及其复合材料由于其低质量、高比强度以及高耐腐蚀性而在航空航天和汽车工业中具有竞争优势。在各种铝合金中，Al-Si合金由于高温强度高、耐腐蚀和耐磨性以及低的热膨胀系数而处于领先地位。除了高机械性能外，Al-Si合金还具有相对较低的收缩率和较低的裂纹形成趋势。

但是，金属3D打印中存在一个未解决的巨大问题：由于初始材料的质量低、打印参数选择错误、粉末中的残留气体、溶解氢的释放或初始粉末材料的宽尺寸分布曲线，可能出现高残留孔隙率 (图下图)。这些因素对最终的3D打印产品具有负面影响，因为由此产生的内部应力和缺陷在激光的影响下趋于增长。简而言之，在三维分层中，重要的是使用可以为最终产品提供均匀且致密微观结构的初始材料。

通过SLM方法获得的3D打印复合材料Al/nAl₂O₃ 的多孔结构

性能改善和优化的方法之一是对金属粉末进行化学改性，这将导致结构部件的细化，并对3D产品性能产生积极影响。此外，在许多情况下需要化学改性来增加3D产品的机械强度和硬度。在某些情况下，改性添加剂应能有效地将晶粒尺寸减小到其最小浓度。金属粉末的改性可以通过在微米大小的颗粒表面应用各种纳米管来实现。例如，碳纳米管(carbon nanotubes, CNTs)对铝基复合材料的3D打印特别感兴趣，因为它们可以强烈影响一系列有价值的材料性能。碳纳米管具有低密度、低热膨胀系数和高热导率。碳纳米管在3D打印中的应用非常有意义，因为它们可以显著增加打印材料的强度和刚性。它们的高导热性有助于将印刷层之间的温度梯度降至最低。基于碳纳米管的复合材料在航空、汽车、火箭科学和航天技术中有着广泛的应用。

用新的金属粉末在3D打印机上打印的航空零件。图片来源：Sergey Gnuskov / NUST MISIS

通过向主基质中引入其他成分来改变打印用粉末的化学和相组成，可以改善其性能。特别是，碳纳米纤维具有很高的导热性，这有助于在产品合成时最大程度地减少产品合成过程中打印层之间的温度梯度。因此，材料的微观结构几乎可以从不均匀性中消除。

研究小组开发的合成纳米碳增材的技术包括化学沉积、超声处理和红外热处理的方法。用过的碳纳米纤维必须是伴随石油天然气加工的副产物。在催化分解过程中，碳以纳米纤维的形式聚集在催化剂的分散金属颗粒上。通常，目前伴生气体在田间简单燃烧，对环境造成危害。因此，这种新方法的应用也具有重要的环境意义。

该研究是与俄罗斯博雷斯科夫催化研究所的专家共同进行的。将来，该研究小组计划确定选择性激光熔化新复合粉末的最佳条件，并开发一种用于合成产品的后处理和工业用途的技术。

论文链接:

E.L. Dzidziguri et al, In-situ synthesis and characterization of powdery nanocomposite "carbon nanotubes /nanoalumina", Composites Communications, 2020, 22: 100534.

https://doi.org/10.1016/j.coco.2020.100534

来源：增材制造硕博联盟