我们通常所说的纳米陶瓷材料是利用纳米粉体对现有陶瓷进行改性，通过往陶瓷中加入或生成纳米级颗粒、晶须、晶片纤维等，使晶粒、晶界以及他们之间的结合都达到纳米水平，使材料的强度、韧性和超塑性大幅度提高。国内包括成都新柯力化工科技通过激光烧结，将纳米陶瓷颗粒与无机粘土混合，通过激光烧结，借助激光快速加热和冷却的特性，将无机粘土烧结形成纳米级的陶瓷晶粒。

    而随着3D打印技术的发展，国内外出现了通过SLM技术制备纳米陶瓷增强镍基高温合金，以及多相纳米陶瓷颗粒增强Al基复合材料的工艺。通过材料的进步提升产品的性能，这项技术或许如GE的小小“喷油嘴”一样，对发动机的性能起到四两拨千斤的大作用。本期，3D科学谷参考江苏思莱姆智能科技所拥有的技术专利与谷友一起来领略国内在这一领域的探索。

    不再粗化的晶粒

    纳米陶瓷增强镍基高温合金在高温下具有良好的组织稳定性和使用可靠性，在整个高温合金领域占有重要的地位，被广泛地用来制造航空喷气发动机、各种工业燃气轮机的最热端部件。

    航空发动机最重要的性能参数之一是推重比。随着航空事业的发展，现代航空发动机不断追求更高的推重比。随着推重比的增加，必然导致高性能航空发动机涡轮进口温度进一步提高，解决发动机热端部件材料的耐热问题越来越凸显其重要性。

    然而， 纳米陶瓷颗粒增强镍基高温合金的制备比微米级和亚微米级的要复杂和困难的多。主要难点在于：

    一：巨大的比表面所产生的表面能使具有纳米尺寸的物体之间存在极强的团聚作用，而且陶瓷颗粒与基体金属密度差异大，易引发团聚，降低增强相颗粒对基体金属的强化效应；

    二：纳米陶瓷颗粒增强金属基复合材料在高温制备时势必会发生严重的界面反应。陶瓷材料的高熔点以及其与基体材料的低润湿性和较大线膨胀系数差异会导致界面结合问题。

    目前纳米陶瓷颗粒增强镍基高温合金传统加工方法主要有粉末冶金法、铸造、喷射沉积法、原位复合法等，这些方法都在处理材料组织的微观晶体结构方面存在一定的局限。

    思莱姆智能科技纳米陶瓷颗粒增强镍基高温合金制备方法采用的是选择性激光融化技术3D打印技术，克服了传统制备方法的局限， 改善了颗粒团聚和界面结合问题，并且可以加工成复杂零件的形状，而无需工装夹具或模具的支持，同时在这个过程中， 材料利用率高。

    思莱姆智能科技采用的激光工艺参数为：激光光斑直径70~100μm，激光功率120~160W，激光扫描速率300~500mm/s，激光扫描间距50~90μm。 通过粉末床铺粉的技术来制造的复合材料产品，通过逐层铺粉，逐层熔凝堆积，层层叠加，直至形成三维零件。打印材料以粒径为15~45μm的镍基高温合金为基体，以粒径为40~100nm的CrC为增强相，CrC添加的重量百分比为复合材料基体的2.0~8.0%。冷却速率约为105~106 K/s，由于凝固速度很快，晶粒来不及长大，仍然保持有纳米颗粒的特性，所制造的零件组织细小致密，且力学性能优异。

    纳米CrC颗粒混杂增强镍基高温合金的复合材料零件具有良好的高温耐腐蚀性、耐磨损性、高温蠕变性等性能优点，能够满足航空发动机热端部件在高温下的特殊性能要求；高能激光成形方法适用于难加工材料的制备和复杂零件的成形；无需成形模具，缩短了制造周期和成本。

    除了纳米陶瓷颗粒增强镍基高温合金，思莱姆智能科技还发明了3D打印制造多相纳米陶瓷颗粒增强Al基复合材料的技术。这种Al基复合材料具有均匀细化的显微组织和优异的力学性能，具有高的比强度和比刚度、高弹性模量、耐磨性能好、高热导率和低的热膨胀系数的特点，综合力学性能比相应材料的传统铸造或粉末冶金制品性能水平提高25%以上。

    思莱姆智能科技在多相纳米陶瓷颗粒增强Al基复合材料的制备中选用复合材料基体为99.9%以上，粒度为25μm的AlSiMg 粉末，增强相为纯度为99.9%以上，粒度为50μm的Al2O3，SiO2，TiN，TiC，ZnO，Y2O3粉末的复合体。通过选区激光融化技术，铺粉厚度为50μm~70μm，激光光斑直径为50μm~100μm，扫描间距为400μm~600μm，激光功率100W~150W，扫描速率为100mm/s~400 mm/s。 冷却速率约为105~106 K/s，快速成形方法的熔化/凝固是一种高度非平衡过程，具有较高的过冷度和冷却速率。

    颗粒增强铝基复合材料因其具有优异性能逐渐成为铝基复合材料的研究重点，此类材料已经在航空航天、汽车及微电子等领域获得规模应用。

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责任编辑：王元

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