俄罗斯冷喷涂以增加3D打印零件的硬度

俄罗斯国家研究型技术大学NUST MISIS的学者们成功增加了轻质铝合金的强度和可靠性。按照研究人员的消息，添加碳纳米纤维的铝复合材料样品的硬度增加了20%，材料结构在微观层面上发生了极大变化。

专家们说，铝及其合金是现代工业和技术的关键材料之一。如果没有这种价格合理、轻质且用途广泛的金属，就无法想象运输、建筑、电子或航空航天工业。研究结果发表在《纳米材料》杂志（Nanomaterials）上。

然而，学者们指出，必须进一步提高铝合金的机械性能，以提高零件的比强度（重量强度比）。他们说，使材料的机械特性和功能特性符合现代先进技术的要求，是当今的一项紧迫任务。

“根据最严格的要求，只有两种方法提高合金的操作性能：创造一种成分更复杂的新型复合材料，或者通过施加额外的涂层来处理成品的表面。我们把这两种方法结合起来，在微米级氧化铝和纳米级碳纤维相互作用时实现了几个因素的协同效应”，俄罗斯国家研究型技术大学NUST MISIS“碳氢化合物的催化和加工”实验室研究员（Catalysis Lab）伊万·佩列文（Ivan Pelevin）解释说。

以铸造和3D打印的铝样品为基础，通过采用冷喷涂法(cold-spray method)施加复合涂层来提高其表面性能。

他解释说，Al-Al2O3-UNV复合涂层的基础是用于获取铝的工业原材料（氧化铝或铝的氧化物）的粉末状混合物，并添加了30%的纯金属颗粒。他说，在合成过程中，铝颗粒在遇到较硬的氧化物时会被压碎，从而填充其结构中的空隙。这种硬质和塑料颗粒的组合物为铝零件表面上的涂层提供了牢固的粘合（bonding）。

另一方面，学者们解释说，纳米级碳纤维渗透进金属粉末颗粒之间的空间中，进一步增加微观层面的密度，极大减少裂缝和空隙的数量，提高涂层的硬度和强度。仅添加1.5%的碳纳米纤维就会导致涂层硬度增加20%。

他们说，第三个活跃因素是碳的高摩擦性能——这也有助于在粒子碰撞过程中依靠“润滑”形成致密、无缺陷的涂层结构。此外，依靠“自润滑”（原位润滑），向涂层中添加碳会从潜在上改善摩擦性能和耐磨性。

学者们强调，除了以上所列举的因素外，正确选择的合成方法也很重要。

“在通过其它方法合成涂层时会产生相变问题，这对于熔点低的铝来说尤其重要。沉积表面上的金属颗粒熔化并再次硬化——也就是说，物质的结构受到干扰，在材料内部出现额外应力。因此，我们按照冷沉积方法开展工作，并清楚地展示了这种解决方案的优势”，佩列文补充道。

学者们相信，这项研究不仅对改善特定铝合金的性能来说，而且对用于各种用途的许多部件来说，都具有极大的实际意义。特别注意的是3D打印后材料的处理，因为这是最迫切和要求最高的科学任务。科研团队的近期计划是获得具有能源、生物医学和其它运用领域所要求的微观结构的复合材料。获 取 更多前沿科技?研究 进展访问：https://byteclicks.com

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