3D打印铝合金重大突破！氮化锆升级AlSi10Mg

对于3D打印从业者来说，AlSi10Mg铝合金是最常用的材料之一。这款Al-Si-Mg系合金以其优异的铸造性能、较高的强度和韧性而备受青睐。然而，AlSi10Mg在硬度和耐磨性方面的表现还有待提高，这在一定程度上限制了其在某些工业应用中的潜力发挥。近日，来自NUST MISIS的科研团队在Nature子刊上带来了一项振奋人心的研究成果：通过在AlSi10Mg中添加氮化锆（ZrN），材料硬度竟然提升了237%!

NUST MISIS简介

NUST MISIS是位于莫斯科的国立科技大学，是俄罗斯享有盛誉的材料科学与金属工艺研究中心。学校拥有一支世界级的科研团队，长期致力于新材料、先进制造、纳米技术等前沿领域的探索与创新。此次ZrN/AlSi复合材料的研发突破，就是NUST MISIS在3D打印材料优化方面的最新成果之一。

制备工艺创新，实现增强相均匀分散

为了克服传统铝基复合材料制备过程中增强相易团聚的问题，NUST MISIS的研究人员采用了粉末冶金+放电等离子烧结工艺。

首先通过高能球磨实现ZrN颗粒在AlSi基体中的均匀分散，然后利用放电等离子烧结的快速致密化优势，获得高致密、高性能的ZrN/AlSi块体材料，为后续的3D打印应用奠定了坚实基础。

上图展示了ZrN/AlSi10Mg复合材料的制备过程。首先，将AlSi10Mg粉末与不同质量百分比的ZrN（10%、20%和30%）混合，然后进行高能球磨（HEBM）处理。高能球磨的目的是使ZrN颗粒均匀分布在AlSi10Mg基体中，并引发一定的应变硬化效应。接下来，通过火花等离子烧结（SPS）技术将混合粉末在高温和高压下烧结成型，从而获得高密度且均匀的复合材料。

ZrN/AlSi10Mg的功效一: 硬度、弹性模量和抗拉强度飙升

为了弥补AlSi10Mg的性能短板，NUST MISIS的科研人员别出心裁，尝试在铝合金中添加氮化锆陶瓷颗粒。ZrN以其超高硬度、优异的耐磨性和耐腐蚀性而闻名，被视为理想的增强相选择。通过优化ZrN添加量，研究人员成功制备出一系列ZrN/AlSi复合材料，其综合力学性能较传统AlSi10Mg大幅提升。当ZrN含量为30%时，ZrN/AlSi的硬度较AlSi10Mg提高了237%，弹性模量增加56%，抗压强度更是飙升183%!研究结果表明，ZrN的引入还丰富了复合粉末的形貌，为材料性能调控提供了更多可能。

ZrN/AlSi10Mg复合材料的机械性能

上图展示了不同ZrN含量的复合材料在硬度、弹性模量、抗压强度和抗拉强度方面的表现。具体而言：

• 图a：展示了不同ZrN含量下复合材料的硬度（HV2）和弹性模量（GPa）。随着ZrN含量的增加，硬度和弹性模量显著提高，最高可达到182 ± 8 HV2和114 ± 3 GPa。

  
  

• 图b：展示了不同ZrN含量下复合材料的抗压强度。30% ZrN复合材料的抗压强度达到565 ± 15 MPa，比纯AlSi10Mg提高了183%。

  
  

• 图c：展示了不同ZrN含量下复合材料的抗拉曲线。随着ZrN含量的增加，抗拉强度显著提高，30% ZrN复合材料的抗拉强度达到387 ± 9 MPa。

  
  

• 图d：总结了不同ZrN含量复合材料的硬度和抗拉强度，并与其他铝基复合材料进行比较。

ZrN/AlSi10Mg的功效二：低热膨胀系数

ZrN/AlSi10Mg复合材料还展现出低热膨胀系数（CTE）的优势。CTE表示材料在温度变化时尺寸变化的程度，是高精度、高稳定性应用中的关键参数。低CTE材料在温度波动时能保持良好的尺寸稳定性，并能降低多材料系统中因CTE失配引起的热应力，提高组件可靠性。这使得ZrN/AlSi10Mg复合材料在航空航天、电子设备等领域备受青睐。

ZrN/AlSi10Mg复合材料的热膨胀系数

上图展示了不同ZrN含量复合材料的实验和理论热膨胀系数（CTE）：

• 图a：实验测量的CTE值与Schapery模型吻合良好。
  
  

• 图b：展示了ZrN/AlSi10Mg复合材料与其他铝基复合材料的CTE比较，显示出ZrN添加对降低CTE的显著效果。

ZrN/AlSi10Mg的拉伸测试形貌和断裂机制

上图展示了不同ZrN含量的复合材料在拉伸测试后的断裂表面形貌：

• 图a：纯AlSi10Mg的断裂表面显示出粗糙的凹坑和锐利的脊线，表明材料经历了韧性断裂。

  
  

• 图b：含有10% ZrN的复合材料断裂表面显示出较少的凹坑和一些暴露的ZrN颗粒，表明混合断裂机制。

  
  

• 图c-f：随着ZrN含量的增加，暴露的ZrN颗粒数量增多，一些ZrN颗粒显示出碎裂的迹象，这表明脆性断裂机制逐渐占据主导地位。

  
  

ZrN/AlSi10Mg复合材料在拉伸下的断裂机制

上图提供了ZrN/AlSi10Mg复合材料在拉伸应力下的断裂机制示意图：

• 图a-b：初始阶段，AlSi10Mg基体发生塑性变形并形成颈缩，而ZrN颗粒保持不变。局部变形导致在ZrN颗粒周围产生微孔。
  
  

• 图c：进一步的变形使微孔聚合并形成空洞，最终导致颈缩断裂，留下脊线和裂纹。ZrN颗粒由于受到应力集中而碎裂，导致复合材料破坏。
  
  

巨大的商业潜力

AM易道认为，ZrN/AlSi10Mg复合材料在以下几个方面具有广阔的应用前景：1. 航空航天：凭借优异的机械性能和低热膨胀特性，该复合材料非常适合用于航天器的高精度零部件制造。2. 电子设备：低热膨胀特性使其成为电子设备中高稳定性部件的上佳选择。3. 汽车工业：在需要高强度和耐磨损的汽车关键部件中，ZrN/AlSi10Mg复合材料同样大有可为。随着3D打印技术的不断成熟，这种高性能复合材料有望在更多工程领域崭露头角，为相关企业带来新的商业机会和增长点。

AM易道点评：

ZrN/AlSi复合材料的问世，无疑为3D打印铝合金的性能优化带来了新的思路。一方面，AlSi10Mg有望借助ZrN迈上新的台阶，在更广阔的应用领域大显身手；另一方面，这项研究也为其他3D打印铝合金的改性提供了参考，通过优化增强相的型号、含量、分散状态，结合先进制造工艺，有望实现材料性能的非线性跃升。高性能ZrN/AlSi复合材料有望拓展3D打印铝合金的应用版图。我们拭目以待这项研究成果的产业化进展，也期待3D打印材料研发人员能够从中获得更多启发，让更多高性能复合材料走进增材制造的舞台。

DOI：https://doi.org/10.1038/s41598-024-58614-6

     
延伸阅读：

1. 发电或氢储能！陶瓷3D打印下一代固体氧化物燃料电池
   

2. 3D打印设计开源项目！复杂内流道热交换器！
   

3. 3D打印参数化设计开源！月球火星都能用的车轮
   

4. 硬币大的3D打印机！Nature发布光芯片固化
   

5. 终结者"液态金属"成真！3D打印制霸柔性电子制造
   

6. 全新金属3D打印技术，超声共振辅助沉积！
   

7. Nature重磅: 同时让3种3D打印联姻! 定制多材料多功能复杂器件
   

8. 3D打印最优减震结构，全靠AI“暴力破解”
   

9. Nature重磅：自然秩序再造！3D打印+机器学习实现无序结构调控