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打破金属打印性能世界纪录,这家中国公司开发纳米改性超级金属

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  3D 打印,当下人们早已耳熟能详的一项 “新技术”。“上上个世纪的思想,上个世纪的技术,这个世纪的市场”,一句有趣的对 3D 打印发展的评价,侧面反映了一项革命性技术从诞生到真正地影响社会生产所要经历的时间考验。

  人们大多数的了解或许都是来自阿迪达斯当年制备新型光敏树脂鞋底那段酷炫的打印视频。但实际上,在 3D 打印广泛的技术图谱中,金属 3D 打印才是被广泛认为最具有想象力的细分方向。近年来,金属 3D 打印已成为革新航空航天、国防、汽车、生物医学等行业金属构件创新制备的新生平台。

  不过,就像从光刻机到芯片间有一个漫长的产业链,中间任意环节的缺失与落后都会影响到最后的终端产品。金属 3D 打印也是如此,存在着制约其扩展更大市场的世界性挑战。其中重大挑战之一,并不在于打印设备上,而是在打印的原材料 —— 金属粉末和丝材上。

  从源头上游入手,解决产业链终端问题

  如同决定面包味道好坏的,除了要看师傅烘焙的手艺,还要看面粉的质量一样。金属打印原材料的品质对于 3D 打印最终成型件的性能影响是十分巨大的。对于航空航天、汽车等领域大规模使用的轻质高强合金来说,如何解决其 3D 打印成型过程中的热裂问题,是 3D 打印技术突破市场规模的关键着力点。

  在合金中掺入均匀分散的纳米颗粒,则是一种提高金属粉末打印成型性能、解决热裂等问题的有效手段。由于纳米颗粒的比表面积较大,容易团聚,所以通常采用表面活性剂或静电互相排斥的方法来分散纳米颗粒。不过,这两种常用的方法在高温金属熔体中由于高温及金属熔体的导电性而失效。因此,如何克服纳米颗粒之间的范德华力,实现其在金属熔体中的均匀分散成为亟待解决的问题。

  对于这个挑战,材料科学家们给出了自己的答案。最早在 2015 年 12 月,世界顶级科学期刊《自然》杂志刊登了一篇关于 “含有致密、均匀分散纳米颗粒的镁合金制备与性能” 的文章,首先介绍了该研究团队的发现 —— 如何选择与合金更为匹配的纳米颗粒,并使其均匀地分散在其中。基于这一发现,该研究团队发展了相应的 “纳米冶金” 技术,即利用纳米颗粒来改变金属的凝固行为和变形行为,从而改善金属的制造性能。这其中便包括利用纳米颗粒来解决高强铝合金粉末 3D 打印过程中的热裂问题。

  在此基础上,研究团队又经过两年的技术积累,在 2017 年成立了迈特李新材料有限公司,致力于以纳米冶金技术为核心的高性能金属的研发与制造工作。在一系列科研成果基础上,迈特李开发出了相应的纳米冶金工艺和产品,将陶瓷、化合物等材料的纳米颗粒均匀混入金属或合金中,对其进行 “改性” 及 “增强”,突破原有金属材料的性能桎梏并提高其制造性能。

  性能验证结果喜人,规模化生产正在路上

  迈特李的产品依托于顶尖的高校科研团队,在攻克了纳米颗粒在金属熔体中易团聚的世界难题之后,已陆续成功开发出纳米改性超级铝粉末、纳米改性超级铝丝材、纳米改性超级铝铸件及纳米改性超级铝型材等系列产品,此后将逐步扩展到纳米改性 “超级铜”、“超级钢”、“超级高温合金” 等材料中。

  对于铝合金的选择,公司 CTO 刘伟清博士解释道:“公司的技术是一个平台型的,纳米颗粒分散技术可以应用在多种金属中,不仅仅局限于镁或者铝合金。至于从轻质高强铝合金入手,主要因为其市场需求量较大,并且对其轻量化要求较高。” 刘伟清表示,在铝合金粉末及丝材产品成熟后,还会逐步扩展到铝合金铸件,以及型材这类需求量更大的产品上。

  对于目前铝合金粉末的打印性能,2019 年一篇发表在《自然》子刊《自然通讯》(Nature Communications)的论文给出了让人放心的回答。这篇由 “迈特李” 创始团队完成的论文显示,通过激光打印的纳米复合铝合金的强度达到了 1000 MPa,塑性超过了 10%,杨氏模量约为 200 GPa。

  

  图 | 迈特李纳米改性超级铝合金粉末

  由此,团队打破了金属打印性能的世界纪录,让更多有着革新性的金属 3D 打印应用成为了可能。

  另外,迈特李公司生产的纳米改性 7075 铝合金粉末及适用于电弧增材制造和电子束增材制造用的纳米改性 7075 铝合金丝材 3D 打印后,经 T6 处理,抗拉强度可达到 540MPa 以上,延伸率超过 10%,优于同类型锻件的性能。同时,公司开发的其他系列纳米改性高强铝合金粉末 3D 打印后强度可达 600MPa 以上。

  

  图 | 迈特李纳米改性超级铝合金丝材

  目前,迈特李已与国内知名的铝合金生产企业、手机厂商、欧洲大型钢铁企业,以及日本大型铝合金制造企业等众多用户建立了战略合作伙伴关系。公司也计划进一步扩展生产规模,已经在深圳规划建立全新的生产线。

  随着更多技术难题的解决和市场验证,以迈特李新材料有限公司为代表的新兴纳米冶金技术,有机会成为新时代的革命性技术平台,无缝对接现有工艺流程与规模化的生产,从而促进超级金属广泛应用,引发 21 世纪的新金属革命。

  -End-

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