Ալյումինի փոշու առաջընթացը 3D տպագրության նյութերում
Մտնելով Հյուսիսարևմտյան Պոլիտեխնիկական Համալսարանի լաբորատորիա՝ լուսային կարծրացումով3D տպիչ թեթևակի բզզում է, և լազերային ճառագայթը ճշգրիտ շարժվում է կերամիկական խառնուրդի մեջ։ Ընդամենը մի քանի ժամ անց ամբողջությամբ ներկայացվում է լաբիրինթոսի նման բարդ կառուցվածք ունեցող կերամիկական միջուկ, որը կօգտագործվի ինքնաթիռների շարժիչների տուրբինային թևերը ձուլելու համար։ Նախագծի պատասխանատու պրոֆեսոր Սու Հայջունը մատնացույց արեց նուրբ բաղադրիչը և ասաց. «Երեք տարի առաջ մենք նույնիսկ չէինք համարձակվում մտածել նման ճշգրտության մասին։ Հիմնական առաջընթացը թաքնված է այս աննկատելի ալյումինի փոշու մեջ»։
Մի ժամանակ ալյումինե կերամիկան «խնդրահարույց ուսանողի» նման էր այս ոլորտում։3D տպագրություն– բարձր ամրություն, բարձր ջերմաստիճանային դիմադրություն, լավ ջերմամեկուսացում, բայց տպագրվելուց հետո այն բազմաթիվ խնդիրներ ունեցավ: Ավանդական գործընթացների դեպքում ալյումինի փոշին վատ հոսունություն ունի և հաճախ խցանում է տպագրական գլխիկը. սինտերացման ընթացքում կծկման մակարդակը կարող է հասնել մինչև 15%-20%, իսկ մեծ ջանքերով տպագրված մասերը դեֆորմացվում և ճաքում են այրվելուն պես. բարդ կառուցվածքնե՞ր: Սա ավելի մեծ շքեղություն է: Ինժեներները մտահոգված են. «Այս իրը նման է համառ նկարչի՝ վայրի գաղափարներով, բայց բավարար ձեռքերով»:
1. Ռուսական բանաձև. «կերամիկական զրահ» դնելըալյումինմատրից
Շրջադարձային կետը սկզբում եղավ նյութերի նախագծման հեղափոխությունից։ 2020 թվականին Ռուսաստանի Գիտության և տեխնոլոգիաների ազգային համալսարանի (NUST MISIS) նյութագիտության մասնագետները հայտարարեցին հեղափոխական տեխնոլոգիայի մասին։ Ալյումինի օքսիդի փոշին պարզապես խառնելու փոխարեն, նրանք բարձր մաքրության ալյումինի փոշին տեղադրեցին ավտոկլավի մեջ և օգտագործեցին հիդրոթերմալ օքսիդացում՝ յուրաքանչյուր ալյումինե մասնիկի մակերեսին ճշգրիտ կառավարվող հաստությամբ ալյումինի օքսիդի թաղանթի շերտ «աճեցնելու» համար, ինչպես ալյումինե գնդակի վրա նանոմակարդակի զրահի շերտ դնելը։ Այս «միջուկ-պատյան կառուցվածքի» փոշին զարմանալի կատարողականություն է ցուցաբերում լազերային 3D տպագրության (SLM տեխնոլոգիա) ժամանակ. կարծրությունը 40%-ով ավելի բարձր է, քան մաքուր ալյումինե նյութերիինը, և բարձր ջերմաստիճանային կայունությունը զգալիորեն բարելավվել է՝ ուղղակիորեն բավարարելով ավիացիոն մակարդակի պահանջները։
Նախագծի ղեկավար, պրոֆեսոր Ալեքսանդր Գրոմովը վառ համեմատություն է արել. «Անցյալում կոմպոզիտային նյութերը նման էին աղցանների՝ յուրաքանչյուրը զբաղվում էր իր գործով, մեր փոշիները՝ սենդվիչների՝ ալյումինն ու ալյումինան շերտ առ շերտ կծում են միմյանց, և ոչ մեկը չի կարող առանց մյուսի գոյատևել»։ Այս ամուր կապը թույլ է տալիս նյութին ցուցադրել իր հմտությունը ինքնաթիռի շարժիչի մասերի և գերթեթև շրջանակների մեջ, և նույնիսկ սկսում է մարտահրավեր նետել տիտանի համաձուլվածքների ոլորտին։
2. Չինական իմաստություն. կերամիկայի «ամրացման» կախարդանքը
Ալյումինա-կերամիկական տպագրության ամենամեծ խնդիրը սինտերացման կծկումն է. պատկերացրեք, որ դուք զգուշորեն հունցել եք կավե ֆիգուր, և այն կծկվել է մինչև կարտոֆիլի չափ, հենց որ այն մտել է ջեռոց: Որքա՞ն կփլուզվի այն: 2024 թվականի սկզբին պրոֆեսոր Սու Հայջունի թիմի կողմից Հյուսիսարևմտյան պոլիտեխնիկական համալսարանի «Մաթերագիտության և տեխնոլոգիաների հանդես» ամսագրում հրապարակված արդյունքները նոր թափ հաղորդեցին ոլորտին. նրանք ստացան գրեթե զրոյական կծկում ունեցող ալյումինա-կերամիկական միջուկ՝ ընդամենը 0.3% կծկման մակարդակով:
Գաղտնիքը ավելացնելն էալյումինի փոշիալյումինին և այնուհետև նվագել ճշգրիտ «մթնոլորտային մոգություն»։
Ալյումինի փոշի ավելացնելը. կերամիկական խառնուրդի մեջ խառնեք 15% մանր ալյումինի փոշի։
Վերահսկեք մթնոլորտը. օգտագործեք արգոնային գազի պաշտպանություն սինտերացման սկզբում՝ ալյումինի փոշու օքսիդացումը կանխելու համար:
Խելացի անջատում. Երբ ջերմաստիճանը բարձրանում է մինչև 1400°C, հանկարծակի փոխեք մթնոլորտը օդի
Տեղում օքսիդացում. Ալյումինի փոշին անմիջապես հալվում է կաթիլների վերածվելով և օքսիդանում է ալյումինի օքսիդի, իսկ ծավալի ընդարձակումը չեզոքացնում է կծկումը։
3. Կապակցանյութի հեղափոխություն. ալյումինի փոշին վերածվում է «անտեսանելի սոսինձի»
Մինչ ռուսական և չինական թիմերը եռանդուն աշխատում են փոշու մոդիֆիկացիայի վրա, մեկ այլ տեխնիկական ուղի է հասունացել՝ ալյումինի փոշու օգտագործումը որպես կապակցանյութ: Ավանդական կերամիկան3D տպագրությունԿապակցանյութերը հիմնականում օրգանական խեժեր են, որոնք ճարպազրկման ժամանակ այրվելիս խոռոչներ են թողնում: Տեղական թիմի 2023 թվականի արտոնագիրը այլ մոտեցում է ցուցաբերում. ալյումինի փոշին ջրային հիմքով կապակցանյութի վերածելը47:
Տպագրության ընթացքում ծայրակալը ճշգրտորեն ցողում է 50-70% ալյումինի փոշի պարունակող «սոսինձ» ալյումինի օքսիդի փոշու շերտի վրա: Երբ խոսքը գնում է ճարպազրկման փուլի մասին, վակուում է ներծծվում, թթվածին է անցնում, և ալյումինի փոշին օքսիդանում է մինչև ալյումինի օքսիդ 200-800°C ջերմաստիճանում: 20%-ից ավելի ծավալային ընդարձակման բնութագիրը թույլ է տալիս ակտիվորեն լցնել ծակոտիները և նվազեցնել կծկման արագությունը մինչև 5%-ից պակաս: «Դա համարժեք է կառուցվածքը քանդելուն և միաժամանակ նոր պատ կառուցելուն՝ լցնելով ձեր սեփական անցքերը», - այսպես է նկարագրել ինժեները:
4. Մասնիկների արվեստը. գնդաձև փոշու հաղթանակը
Ալյումինի փոշու «արտաքին տեսքը» անսպասելիորեն դարձել է առաջընթացի բանալին. այս տեսքը վերաբերում է մասնիկի ձևին: «Open Ceramics» ամսագրում 2024 թվականին հրապարակված ուսումնասիրությունը համեմատել է գնդաձև և անկանոն ալյումինի փոշու արդյունավետությունը հալված նստեցման (CF³) տպագրության մեջ5:
Գնդաձև փոշի. հոսում է ինչպես մանր ավազը, լցման մակարդակը գերազանցում է 60%-ը, իսկ տպագրությունը հարթ և մետաքսանման է
Անկանոն փոշի. կպչուն է կոպիտ շաքարի պես, մածուցիկությունը 40 անգամ ավելի բարձր է, և ծորակը խցանված է՝ կյանքին կասկածելու համար
Ավելի լավ է, որ գնդաձև փոշով տպված մասերի խտությունը սինտերացումից հետո հեշտությամբ գերազանցում է 89%-ը, իսկ մակերեսի մշակումը ուղղակիորեն համապատասխանում է ստանդարտին։ «Ո՞վ է դեռ օգտագործում «տգեղ» փոշի։ Հոսունությունը մարտական արդյունավետություն է»։ Տեխնիկը ժպտաց և եզրակացրեց5։
Ապագա. Աստղերն ու ծովերը համակեցության մեջ են փոքրի և գեղեցիկի հետ
Ալյումինի փոշու եռաչափ տպագրության հեղափոխությունը դեռևս ավարտված չէ։ Ռազմական արդյունաբերությունը առաջատար դիրք է գրավել տուրբոօդափոխիչ շեղբեր արտադրելու համար գրեթե զրոյական կծկման միջուկների կիրառման գործում։ Կենսաբժշկական ոլորտը ուշադրություն է դարձրել դրա կենսահամատեղելիությանը և սկսել է տպագրել անհատականացված ոսկրային իմպլանտներ։ Էլեկտրոնիկայի արդյունաբերությունը թիրախավորել է ջերմափոխանակման հիմքերը. չէ՞ որ ալյումինի ջերմահաղորդականությունը և ոչ էլեկտրական հաղորդականությունը անփոխարինելի են։