3D 打印，當(dāng)下人們?cè)缫讯炷茉數(shù)囊豁?xiàng) “新技術(shù)”。“上上個(gè)世紀(jì)的思想，上個(gè)世紀(jì)的技術(shù)，這個(gè)世紀(jì)的市場(chǎng)”，一句有趣的對(duì) 3D 打印發(fā)展的評(píng)價(jià)，側(cè)面反映了一項(xiàng)革命性技術(shù)從誕生到真正地影響社會(huì)生產(chǎn)所要經(jīng)歷的時(shí)間考驗(yàn)。

人們大多數(shù)的了解或許都是來(lái)自阿迪達(dá)斯當(dāng)年制備新型光敏樹(shù)脂鞋底那段酷炫的打印視頻。但實(shí)際上，在 3D 打印廣泛的技術(shù)圖譜中，金屬 3D 打印才是被廣泛認(rèn)為最具有想象力的細(xì)分方向。近年來(lái)，金屬 3D 打印已成為革新航空航天、國(guó)防、汽車(chē)、生物醫(yī)學(xué)等行業(yè)金屬構(gòu)件創(chuàng)新制備的新生平臺(tái)。

不過(guò)，就像從光刻機(jī)到芯片間有一個(gè)漫長(zhǎng)的產(chǎn)業(yè)鏈，中間任意環(huán)節(jié)的缺失與落后都會(huì)影響到最后的終端產(chǎn)品。金屬 3D 打印也是如此，存在著制約其擴(kuò)展更大市場(chǎng)的世界性挑戰(zhàn)。其中重大挑戰(zhàn)之一，并不在于打印設(shè)備上，而是在打印的原材料 —— 金屬粉末和絲材上。

從源頭上游入手，解決產(chǎn)業(yè)鏈終端問(wèn)題

如同決定面包味道好壞的，除了要看師傅烘焙的手藝，還要看面粉的質(zhì)量一樣。金屬打印原材料的品質(zhì)對(duì)于 3D 打印最終成型件的性能影響是十分巨大的。對(duì)于航空航天、汽車(chē)等領(lǐng)域大規(guī)模使用的輕質(zhì)高強(qiáng)合金來(lái)說(shuō)，如何解決其 3D 打印成型過(guò)程中的熱裂問(wèn)題，是 3D 打印技術(shù)突破市場(chǎng)規(guī)模的關(guān)鍵著力點(diǎn)。

在合金中摻入均勻分散的納米顆粒，則是一種提高金屬粉末打印成型性能、解決熱裂等問(wèn)題的有效手段。由于納米顆粒的比表面積較大，容易團(tuán)聚，所以通常采用表面活性劑或靜電互相排斥的方法來(lái)分散納米顆粒。不過(guò)，這兩種常用的方法在高溫金屬熔體中由于高溫及金屬熔體的導(dǎo)電性而失效。因此，如何克服納米顆粒之間的范德華力，實(shí)現(xiàn)其在金屬熔體中的均勻分散成為亟待解決的問(wèn)題。

對(duì)于這個(gè)挑戰(zhàn)，材料科學(xué)家們給出了自己的答案。最早在 2015 年 12 月，世界頂級(jí)科學(xué)期刊《自然》雜志刊登了一篇關(guān)于 “含有致密、均勻分散納米顆粒的鎂合金制備與性能” 的文章，首先介紹了該研究團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn) —— 如何選擇與合金更為匹配的納米顆粒，并使其均勻地分散在其中。基于這一發(fā)現(xiàn)，該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了相應(yīng)的 “納米冶金” 技術(shù)，即利用納米顆粒來(lái)改變金屬的凝固行為和變形行為，從而改善金屬的制造性能。這其中便包括利用納米顆粒來(lái)解決高強(qiáng)鋁合金粉末 3D 打印過(guò)程中的熱裂問(wèn)題。

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)又經(jīng)過(guò)兩年的技術(shù)積累，在 2017 年成立了邁特李新材料有限公司，致力于以納米冶金技術(shù)為核心的高性能金屬的研發(fā)與制造工作。在一系列科研成果基礎(chǔ)上，邁特李開(kāi)發(fā)出了相應(yīng)的納米冶金工藝和產(chǎn)品，將陶瓷、化合物等材料的納米顆粒均勻混入金屬或合金中，對(duì)其進(jìn)行 “改性” 及 “增強(qiáng)”，突破原有金屬材料的性能桎梏并提高其制造性能。

性能驗(yàn)證結(jié)果喜人，規(guī)模化生產(chǎn)正在路上

邁特李的產(chǎn)品依托于頂尖的高校科研團(tuán)隊(duì)，在攻克了納米顆粒在金屬熔體中易團(tuán)聚的世界難題之后，已陸續(xù)成功開(kāi)發(fā)出納米改性超級(jí)鋁粉末、納米改性超級(jí)鋁絲材、納米改性超級(jí)鋁鑄件及納米改性超級(jí)鋁型材等系列產(chǎn)品，此后將逐步擴(kuò)展到納米改性 “超級(jí)銅”、“超級(jí)鋼”、“超級(jí)高溫合金” 等材料中。

對(duì)于鋁合金的選擇，公司 CTO 劉偉清博士解釋道：“公司的技術(shù)是一個(gè)平臺(tái)型的，納米顆粒分散技術(shù)可以應(yīng)用在多種金屬中，不僅僅局限于鎂或者鋁合金。至于從輕質(zhì)高強(qiáng)鋁合金入手，主要因?yàn)槠涫袌?chǎng)需求量較大，并且對(duì)其輕量化要求較高。” 劉偉清表示，在鋁合金粉末及絲材產(chǎn)品成熟后，還會(huì)逐步擴(kuò)展到鋁合金鑄件，以及型材這類(lèi)需求量更大的產(chǎn)品上。

對(duì)于目前鋁合金粉末的打印性能，2019 年一篇發(fā)表在《自然》子刊《自然?通訊》（Nature Communications）的論文給出了讓人放心的回答。這篇由 “邁特李” 創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)完成的論文顯示，通過(guò)激光打印的納米復(fù)合鋁合金的強(qiáng)度達(dá)到了 1000 MPa，塑性超過(guò)了 10％，楊氏模量約為 200 GPa。

圖 |邁特李納米改性超級(jí)鋁合金粉末

由此，團(tuán)隊(duì)打破了金屬打印性能的世界紀(jì)錄，讓更多有著革新性的金屬 3D 打印應(yīng)用成為了可能。

另外，邁特李公司生產(chǎn)的納米改性 7075 鋁合金粉末及適用于電弧增材制造和電子束增材制造用的納米改性 7075 鋁合金絲材 3D 打印后，經(jīng) T6 處理，抗拉強(qiáng)度可達(dá)到 540MPa 以上，延伸率超過(guò) 10%，優(yōu)于同類(lèi)型鍛件的性能。同時(shí)，公司開(kāi)發(fā)的其他系列納米改性高強(qiáng)鋁合金粉末 3D 打印后強(qiáng)度可達(dá) 600MPa 以上。

圖 | 邁特李納米改性超級(jí)鋁合金絲材

目前，邁特李已與國(guó)內(nèi)知名的鋁合金生產(chǎn)企業(yè)、手機(jī)廠商、歐洲大型鋼鐵企業(yè)，以及日本大型鋁合金制造企業(yè)等眾多用戶(hù)建立了戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系。公司也計(jì)劃進(jìn)一步擴(kuò)展生產(chǎn)規(guī)模，已經(jīng)在深圳規(guī)劃建立全新的生產(chǎn)線(xiàn)。

隨著更多技術(shù)難題的解決和市場(chǎng)驗(yàn)證，以邁特李新材料有限公司為代表的新興納米冶金技術(shù)，有機(jī)會(huì)成為新時(shí)代的革命性技術(shù)平臺(tái)，無(wú)縫對(duì)接現(xiàn)有工藝流程與規(guī)模化的生產(chǎn)，從而促進(jìn)超級(jí)金屬?gòu)V泛應(yīng)用，引發(fā) 21 世紀(jì)的新金屬革命。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：打破金屬打印性能世界紀(jì)錄，這家中國(guó)公司開(kāi)發(fā)納米改性超級(jí)金屬

文章出處：【微信公眾號(hào)：DeepTech深科技】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。