3D baskı malzemelerinde alüminyum tozu devrimi
Northwestern Politeknik Üniversitesi'nin laboratuvarına girerken, ışıkla sertleşen bir3D yazıcı Hafifçe uğulduyor ve lazer ışını seramik bulamacının içinde hassas bir şekilde hareket ediyor. Sadece birkaç saat sonra, labirent gibi karmaşık bir yapıya sahip seramik bir çekirdek tamamen ortaya çıkıyor ve uçak motorlarının türbin kanatlarının dökümünde kullanılacak. Projeden sorumlu Profesör Su Haijun, hassas parçayı işaret ederek şöyle dedi: "Üç yıl önce böyle bir hassasiyeti düşünmeye bile cesaret edemezdik. Asıl atılım, bu göze çarpmayan alümina tozunda gizli."
Bir zamanlar, alüminyum seramikler, mühendislik alanında bir "sorunlu öğrenci" gibiydi.3D baskı– yüksek mukavemet, yüksek sıcaklık dayanımı, iyi yalıtım, ancak basıldıktan sonra birçok sorunla karşılaştı. Geleneksel işlemlerde, alüminyum tozunun akışkanlığı zayıftır ve genellikle baskı kafasını tıkar; sinterleme sırasında büzülme oranı %15-20'ye kadar çıkabilir ve büyük çabayla basılan parçalar yanar yanmaz deforme olur ve çatlar; karmaşık yapılar mı? Daha da lüks. Mühendisler endişeli: "Bu şey, çılgın fikirleri olan ama yeterli eli olmayan inatçı bir sanatçı gibi."
1. Rus formülü: "Seramik zırh" koymakalüminyummatris
Dönüm noktası ilk olarak malzeme tasarımındaki devrimden geldi. 2020 yılında, Rusya Ulusal Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nden (NUST MISIS) malzeme bilimcileri çığır açan bir teknoloji duyurdular. Sadece alüminyum oksit tozunu karıştırmak yerine, yüksek saflıktaki alüminyum tozunu bir otoklava koydular ve hidrotermal oksidasyon kullanarak her bir alüminyum parçacığının yüzeyinde, tıpkı alüminyum bilyenin üzerine nano düzeyde bir zırh tabakası yerleştirir gibi, hassas bir şekilde kontrol edilebilen bir kalınlığa sahip bir alüminyum oksit film tabakası "büyüttüler". Bu "çekirdek-kabuk yapısı" tozu, lazer 3D baskı (SLM teknolojisi) sırasında inanılmaz bir performans sergiliyor: sertlik, saf alüminyum malzemelerden %40 daha yüksek ve yüksek sıcaklık kararlılığı büyük ölçüde iyileştirilmiş olup, havacılık sınıfı gereklilikleri doğrudan karşılıyor.
Proje lideri Profesör Alexander Gromov canlı bir benzetme yaptı: "Geçmişte kompozit malzemeler salata gibiydi; her biri kendi işini yapıyordu; bizim tozlarımız ise sandviç gibiydi; alüminyum ve alümina birbirini katman katman ısırıyor ve hiçbiri diğeri olmadan yapamaz." Bu güçlü bağlantı, malzemenin uçak motoru parçalarında ve ultra hafif gövde gövdelerinde hünerini göstermesini sağlıyor ve hatta titanyum alaşımlarının alanına meydan okumaya başlıyor.
2. Çin bilgeliği: Seramikleri "yerleştirmenin" büyüsü
Alümina seramik baskının en büyük sorunu sinterleme büzülmesidir. Bir kil figürü dikkatlice yoğurduğunuzu ve fırına girer girmez patates boyutuna kadar küçüldüğünü düşünün. Ne kadar çökerdi? 2024'ün başlarında, Northwestern Politeknik Üniversitesi'ndeki Profesör Su Haijun'un ekibinin Malzeme Bilimi ve Teknolojisi Dergisi'nde yayınladığı sonuçlar sektörü harekete geçirdi: Sadece %0,3 büzülme oranına sahip, neredeyse sıfır büzülme oranına sahip bir alümina seramik çekirdek elde ettiler.
Sır, eklemektiralüminyum tozualüminyuma dönüştürüp ardından da hassas bir “atmosfer büyüsü” gerçekleştiriyoruz.
Alüminyum tozu ekleyin: Seramik bulamacına %15 oranında ince alüminyum tozu karıştırın
Atmosferi kontrol edin: Alüminyum tozunun oksitlenmesini önlemek için sinterlemenin başlangıcında argon gazı koruması kullanın
Akıllı geçiş: Sıcaklık 1400°C'ye yükseldiğinde, atmosferi aniden havaya çevirin
Yerinde oksidasyon: Alüminyum tozu anında damlacıklar halinde erir ve alüminyum okside oksitlenir ve hacim genişlemesi büzülmeyi telafi eder
3. Bağlayıcı devrimi: Alüminyum tozu "görünmez yapıştırıcıya" dönüşüyor
Rus ve Çinli ekipler toz modifikasyonu üzerinde yoğun bir şekilde çalışırken, bir başka teknik yol da sessizce olgunlaştı: bağlayıcı olarak alüminyum tozu kullanımı. Geleneksel seramik3D baskıBağlayıcılar çoğunlukla organik reçinelerdir ve yağ giderme sırasında yakıldığında boşluklar bırakırlar. Yerli bir takımın 2023 patenti farklı bir yaklaşım benimsiyor: alüminyum tozunu su bazlı bir bağlayıcıya dönüştürüyor47.
Baskı sırasında nozul, alüminyum oksit toz tabakasına %50-70 oranında alüminyum tozu içeren "tutkal"ı hassas bir şekilde püskürtür. Yağ giderme aşamasına gelindiğinde, vakum çekilir ve oksijen geçirilir ve alüminyum tozu 200-800°C'de alüminyum okside oksitlenir. %20'den fazla hacimsel genleşme özelliği, gözenekleri aktif olarak doldurmasını ve büzülme oranını %5'in altına düşürmesini sağlar. Bir mühendis, "Bu, aynı anda hem iskeleyi söküp hem de yeni bir duvar inşa edip kendi deliklerinizi doldurmaya eşdeğer!" diye tarif etmişti.
4. Parçacıkların sanatı: Küresel tozun zaferi
Alümina tozunun "görünümü" beklenmedik bir şekilde çığır açan gelişmelerin anahtarı haline geldi; bu görünüm, parçacık şeklini ifade ediyor. 2024 yılında "Open Ceramics" dergisinde yayınlanan bir çalışma, küresel ve düzensiz alümina tozlarının erimiş biriktirme (CF³) baskıdaki performansını karşılaştırdı5:
Küresel toz: ince kum gibi akar, doluluk oranı %60'ı aşar ve baskı pürüzsüz ve ipeksi olur
Düzensiz toz: iri şeker gibi yapışmış, viskozitesi 40 kat daha yüksek ve nozul ömründen şüphe edecek şekilde tıkanmış
Daha da iyisi, küresel tozla basılan parçaların yoğunluğu sinterlemeden sonra %89'u kolayca aşıyor ve yüzey kalitesi doğrudan standardı karşılıyor. "Kim hâlâ "çirkin" toz kullanıyor ki? Akışkanlık, savaşta etkililiktir!" Bir teknisyen gülümseyerek sonuca vardı.
Gelecek: Yıldızlar ve denizler küçük ve güzel bir şekilde bir arada var oluyor
Alümina tozunun 3B baskı devrimi henüz bitmedi. Askeri sanayi, turbofan kanatlarının üretiminde neredeyse sıfır büzülme oranına sahip çekirdekler kullanmada öncü oldu; biyomedikal alanı biyouyumluluğuna odaklanarak özelleştirilmiş kemik implantları basmaya başladı; elektronik endüstrisi ise ısı dağılımı sağlayan alt tabakaları hedef aldı; sonuçta, alüminanın ısıl iletkenliği ve elektriksel iletkenliği vazgeçilmezdir.