Порошок оксида алюминия совершил прорыв в области материалов для 3D-печати.
Войдя в лабораторию Северо-Западного политехнического университета, я обнаружил устройство для светоотверждения.3D-принтер Слышен тихий гул, и лазерный луч точно перемещается в керамической суспензии. Всего через несколько часов полностью формируется керамический стержень со сложной структурой, напоминающей лабиринт, — он будет использован для отливки лопаток турбин авиационных двигателей. Профессор Су Хайцзюнь, руководитель проекта, указал на этот тонкий компонент и сказал: «Три года назад мы даже не смели думать о такой точности. Ключевой прорыв скрыт в этом незаметном порошке оксида алюминия».
Когда-то керамика из оксида алюминия считалась «проблемным учеником» в этой области.3D-печать– Высокая прочность, термостойкость, хорошая изоляция, но после печати возникало множество проблем. При традиционных процессах порошок оксида алюминия имеет плохую текучесть и часто забивает печатающую головку; степень усадки при спекании может достигать 15-20%, а детали, напечатанные с большим трудом, деформируются и трескаются сразу после обжига; сложные конструкции? Это еще большая роскошь. Инженеры обеспокоены: «Эта штука похожа на упрямого художника, с безумными идеями, но не хватает рук».
1. Российская формула: надевание «керамической брони» наалюминийматрица
Переломный момент наступил благодаря революции в материаловедении. В 2020 году ученые-материаловеды из Национального университета науки и технологий (НУСТ МИСИС) России объявили о революционной технологии. Вместо простого смешивания порошка оксида алюминия они поместили высокочистый алюминиевый порошок в автоклав и с помощью гидротермального окисления «вырастили» слой пленки оксида алюминия с точно контролируемой толщиной на поверхности каждой алюминиевой частицы, подобно нанесению слоя наноразмерной брони на алюминиевый шар. Этот порошок с «ядро-оболочечной структурой» демонстрирует удивительные характеристики при лазерной 3D-печати (технология SLM): твердость на 40% выше, чем у чистого алюминия, а высокотемпературная стабильность значительно улучшена, что напрямую соответствует требованиям авиационной промышленности.
Профессор Александр Громов, руководитель проекта, привёл наглядную аналогию: «В прошлом композитные материалы были похожи на салаты – каждый компонент отвечал за своё дело; наши порошки – как бутерброды – алюминий и оксид алюминия слой за слоем склеивают друг друга, и ни один из них не может обойтись без другого». Эта прочная связь позволяет материалу демонстрировать свои возможности в деталях авиационных двигателей и сверхлёгких каркасах кузовов, и даже начинает бросать вызов титановым сплавам.
2. Китайская мудрость: магия «затвердевания» керамики.
Самая большая проблема при печати из оксида алюминия — это усадка при спекании. Представьте, что вы тщательно размяли глиняную фигурку, и она сжалась до размеров картофеля, как только попала в печь. Насколько сильно она деформируется? В начале 2024 года результаты, опубликованные командой профессора Су Хайцзюня из Северо-Западного политехнического университета в журнале «Материаловедение и технологии», произвели фурор в отрасли: они получили практически безусадочный керамический сердечник из оксида алюминия со степенью усадки всего 0,3%.
Секрет в том, чтобы добавитьалюминиевый порошокк оксиду алюминия, а затем создать точную «атмосферную магию».
Добавление алюминиевого порошка: вмешайте 15% мелкодисперсного алюминиевого порошка в керамическую суспензию.
Контроль атмосферы: в начале спекания используйте защиту аргоном, чтобы предотвратить окисление алюминиевого порошка.
Интеллектуальное переключение: при повышении температуры до 1400 °C происходит резкое переключение с атмосферного воздуха на воздушную среду.
Окисление на месте: алюминиевый порошок мгновенно плавится, образуя капли, и окисляется до оксида алюминия, а расширение объема компенсирует сжатие.
3. Революция в области связующих веществ: алюминиевый порошок превращается в «невидимый клей».
В то время как российские и китайские команды усердно работают над модификацией порошков, незаметно для всех созрел другой технический подход — использование алюминиевого порошка в качестве связующего. Традиционная керамика3D-печатьВ качестве связующих веществ в основном используются органические смолы, которые при сжигании во время обезжиривания образуют полости. В патенте, выданном одной из отечественных команд в 2023 году, используется другой подход: превращение алюминиевого порошка в связующее вещество на водной основе47.
В процессе печати сопло точно распыляет «клей», содержащий 50-70% алюминиевого порошка, на слой порошка оксида алюминия. На этапе обезжиривания создается вакуум и пропускается кислород, а алюминиевый порошок окисляется до оксида алюминия при температуре 200-800°C. Характеристика объемного расширения более чем на 20% позволяет ему активно заполнять поры и снижать степень усадки до менее чем 5%. «Это все равно что демонтировать строительные леса и одновременно построить новую стену, заделывая собственные отверстия!» — так описал это один инженер.
4. Искусство частиц: победа сферического порошка
«Внешний вид» порошка оксида алюминия неожиданно стал ключом к прорывам – под «внешним видом» подразумевается форма частиц. В исследовании, опубликованном в журнале «Open Ceramics» в 2024 году, сравнивались характеристики сферических и неправильных порошков оксида алюминия при печати методом послойного наплавления (CF³)⁵:
Сферический порошок: течет как мелкий песок, степень заполнения превышает 60%, печать получается гладкой и шелковистой.
Неравномерный порошок: прилипает, как крупный сахар, вязкость в 40 раз выше, а засорение носика сомнительно.
Более того, плотность деталей, напечатанных сферическим порошком, после спекания легко превышает 89%, а качество поверхности напрямую соответствует стандарту. «Кто еще использует сейчас «некрасивый» порошок? Текучесть – это боевая эффективность!» – улыбнулся техник и заключил5.
Будущее: Звезды и моря сосуществуют с малым и прекрасным.
Революция 3D-печати порошком оксида алюминия еще далека от завершения. Военная промышленность заняла лидирующие позиции в применении стержней с практически нулевой усадкой для производства лопаток турбовентиляторных двигателей; биомедицинская сфера оценила его биосовместимость и начала печатать индивидуальные костные имплантаты; электронная промышленность нацелилась на создание теплоотводящих подложек – ведь теплопроводность и неэлектропроводность оксида алюминия незаменимы.