Прорыв в области материалов для 3D-печати на основе оксида алюминия
Придя в лабораторию Северо-Западного политехнического университета, я обнаружил светоотверждаемый3D-принтер слегка гудит, и лазерный луч точно движется в керамической суспензии. Всего через несколько часов керамический сердечник со сложной структурой, напоминающей лабиринт, был полностью представлен – он будет использоваться для литья турбинных лопаток авиационных двигателей. Профессор Су Хайцзюнь, руководитель проекта, указал на хрупкую деталь и сказал: «Три года назад мы и помыслить не могли о такой точности. Ключевой прорыв кроется в этом незаметном порошке оксида алюминия».
Когда-то алюмооксидная керамика была своего рода «проблемным студентом» в области3D-печать– высокая прочность, высокая термостойкость, хорошая изоляция, но после печати возникло множество проблем. При традиционных процессах порошок оксида алюминия обладает плохой текучестью и часто блокирует печатающую головку; усадка при спекании может достигать 15–20%, а детали, напечатанные с большим усилием, деформируются и трескаются сразу после обжига; сложные конструкции? Это ещё большая роскошь. Инженеры обеспокоены: «Эта штука – как упрямый художник с безумными идеями, но без рук».
1. Русская формула: Надевание «керамической брони» наалюминийматрица
Переломный момент наступил благодаря революции в дизайне материалов. В 2020 году материаловеды из Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» (НИТУ «МИСиС») представили революционную технологию. Вместо простого смешивания порошка оксида алюминия они поместили порошок алюминия высокой чистоты в автоклав и, используя гидротермальное окисление, «вырастили» слой пленки оксида алюминия с точно контролируемой толщиной на поверхности каждой алюминиевой частицы, подобно тому, как на алюминиевый шарик наносится слой наноброни. Этот порошок со структурой «ядро-оболочка» демонстрирует потрясающие характеристики при лазерной 3D-печати (технология SLM): его твёрдость на 40% выше, чем у материалов из чистого алюминия, а высокотемпературная стабильность значительно улучшена, что напрямую соответствует требованиям авиационного класса.
Руководитель проекта, профессор Александр Громов, привёл яркую аналогию: «Раньше композитные материалы были подобны салатам – каждый занимался своим делом; наши порошки – как сэндвичи – алюминий и оксид алюминия вгрызаются друг в друга, слой за слоем, и ни один из них не может обойтись без другого». Эта прочная связь позволяет материалу проявлять свои возможности в деталях авиационных двигателей и сверхлёгких каркасах кузовов, и он даже начинает покорять территорию титановых сплавов.
2. Китайская мудрость: волшебство «закрепления» керамики
Самая большая проблема печати на основе алюмооксидной керамики — усадка при спекании. Представьте, что вы тщательно вымесили глиняную фигурку, и она сжалась до размеров картофелины, как только попала в духовку. Насколько сильно она сжалась? В начале 2024 года результаты, опубликованные группой профессора Су Хайцзюня из Северо-Западного политехнического университета в журнале «Journal of Materials Science & Technology», произвели фурор в отрасли: им удалось получить сердечник из алюмооксидной керамики с практически нулевой усадкой, с коэффициентом усадки всего 0,3%.
Секрет в том, чтобы добавитьалюминиевый порошокк глинозему, а затем сыграть точную «магию атмосферы».
Добавьте алюминиевый порошок: смешайте 15% тонкодисперсного алюминиевого порошка с керамической суспензией.
Контролируйте атмосферу: используйте защитный газ аргон в начале спекания, чтобы предотвратить окисление алюминиевого порошка.
Умное переключение: когда температура поднимается до 1400°C, резко переключаем атмосферу на воздух.
Окисление in situ: алюминиевый порошок мгновенно расплавляется, образуя капли, и окисляется до оксида алюминия, а расширение объема компенсирует сжатие.
3. Революция в связующем: алюминиевый порошок превращается в «невидимый клей»
Пока российские и китайские специалисты усиленно работают над модификацией порошка, незаметно появился другой технический подход: использование алюминиевого порошка в качестве связующего. Традиционная керамика3D-печатьСвязующие вещества в основном представляют собой органические смолы, которые при сжигании в процессе обезжиривания оставляют полости. Патент отечественной команды, полученный в 2023 году, предлагает другой подход: превращение алюминиевого порошка в связующее вещество на водной основе47.
Во время печати сопло точно распыляет «клей», содержащий 50–70% алюминиевой пудры, на слой порошка оксида алюминия. На этапе обезжиривания, в вакууме и через кислород, алюминиевая пудра окисляется до оксида алюминия при температуре 200–800 °C. Благодаря объемному расширению более 20%, она активно заполняет поры и снижает усадку до менее 5%. «Это равносильно демонтажу строительных лесов и одновременному строительству новой стены, заделывая собственные дыры!» — так описал это инженер.
4. Искусство частиц: победа сферического порошка
«Внешний вид» порошка оксида алюминия неожиданно стал ключом к прорывам – под этим термином подразумевается форма частиц. В исследовании, опубликованном в журнале «Open Ceramics» в 2024 году, сравнивались характеристики сферических и нерегулярных порошков оксида алюминия при печати методом наплавления (CF³)5:
Сферический порошок: течет как мелкий песок, степень заполнения превышает 60%, печать гладкая и шелковистая.
Неправильный порошок: липкий, как крупный сахар, вязкость в 40 раз выше, а сопло засорено, что ставит под сомнение срок службы.
Более того, плотность деталей, напечатанных сферическим порошком, после спекания легко превышает 89%, а качество поверхности полностью соответствует стандарту. «Кто сейчас ещё использует „уродливый“ порошок? Текучесть — это боевая эффективность!» Техник улыбнулся и заключил5.
Будущее: Звезды и моря соседствуют с маленькими и прекрасными
Революция 3D-печати порошком оксида алюминия далека от завершения. Военная промышленность стала лидером в применении сердечников с практически нулевой усадкой для производства лопаток турбовентиляторных двигателей; биомедицинская отрасль оценила его биосовместимость и начала печатать индивидуальные костные имплантаты; электронная промышленность нацелилась на создание теплорассеивающих подложек – в конце концов, теплопроводность и неэлектропроводность оксида алюминия незаменимы.