中國團隊打破3400℃戰略金屬鎢材料3D列印技術空白

前幾年為人們熱議的3D列印,現在貌似有點涼涼了?不,沒有的事!據悉,中國某研發團隊攻克了3400℃戰略金屬鎢材料3D列印技術難題,填補了我國在高溫金屬鎢材料快速成形技術領域的空白。該團隊列印的是航天器熱控系統的主要裝置——散熱器。

中國航太圖片

一說到航天器,細數一下,有好多個第一呢。

世界上第一個航天器是蘇聯於1957年發射的“人造地球衛星1號”。

第一個載人航天器是蘇聯於1961年發射的東方1號太空船(尤裡•加加林也因此成為了第一個進入太空的地球人)。

第一個把人送到月球上的航天器是美國於1969年發射的“阿波羅11號”飛船(人類第一次登上月球)。

第一個飛出太陽系的航天器是美國於1972年發射的“先驅者10號”探測器。

第一個兼有運載火箭、航天器和飛機特徵的飛行器是美國於1981年發射的“哥倫比亞號”航太飛船。

中國第一顆人造衛星──“東方紅1號”衛星,於1970年發射。該衛星發射成功標誌著中國成為繼蘇聯、美國、法國、日本之後世界上第五個用自製火箭發射國產衛星的國家。

人類歷史上,第一次實現了航天器在月球背面軟著陸和巡視勘察,也是第一次實現了月球背面同地球的中繼通信。實現這兩個首次的載體是我國於2018年12月8日發射的嫦娥四號探測器!而這也是我國由航太大國向航太強國邁進的重要標誌之一。

嫦娥四號開啟人類首次月球背面軟著陸探測之旅圖片

……

話說,不管是哪一航天器,熱控系統都必不可少。眾所周知,部件,亦或是設備,必然都有一個正常的工作溫度範圍,航天器上所使用的部件和設備也不例外。況且,太空環境很是惡劣,如若不採取熱控措施,航天器上的零部件以及設備所處的溫度範圍可能在零下一百多攝氏度到零上一百多攝氏度!

對於航天器的熱控系統而言,散熱器是主要裝置,也是決定晶片使用壽命的重要部件。為了起到更好的散熱效果,散熱器一般是多孔散熱器,將其覆蓋在晶片上面以增加晶片和空氣的接觸面積,達到降低晶片溫度的目的。通常,散熱器由銅等導熱性好的金屬材料製造而成。然而,傳統使用的銅材料雖然散熱好,但缺點也不容忽視,航空航太領域的晶片的熱交換是很大的,這將導致銅制散熱器嚴重變形,影響散熱效果,最終,晶片的使用壽命必然會受影響。

3D列印鎢基合金散熱器圖片

因此,現如今的解決方案是,先將金屬鎢製成多孔鎢骨架,再將銅滲入到多孔鎢骨架內獲得綜合了鎢和銅各自特性的鎢銅複合材料。也就是說,鎢銅散熱器可以利用銅在高溫下揮發形成的發汗製冷作用,降低鎢銅表面溫度,又能夠保證在高溫極端條件下使用,也就是能夠防止晶片熱交換大時銅材料的變形。

但是,多孔鎢骨架的製備難度比較大,因為鎢不僅是戰略金屬,也是一種難熔金屬,具有耐磨、硬度高、強度高、耐腐蝕以及韌性較好等優良性能。金屬鎢的傳統加工工藝為粉末冶金+機加工,工藝流程複雜,導致加工週期長,而且,多孔結構要想開模也有點困難,所有這些都將導致一個結果,那就是——高成本。此外,金屬鎢在室溫下呈脆性(容易產生掉塊而使加工表面產生缺陷)且硬度很高(會加劇模具和刀具的磨損),使後期機加工難度大大增加。一句話,傳統生產工藝已經越來越不能夠滿足當前人類對於生產加工提出的願望,或許可以考慮前沿的製造技術,比如,近年來已經引起各界廣泛關注的、集設計和製造於一體的3D列印技術。

航空航太晶片圖片

對3D列印有一定瞭解的應該都知道,到今天,增材製造技術有了三十多年的應用和發展史,而其思想的出現可以追溯到十九世紀末的美國。目前,該技術已經被廣泛應用於不銹鋼、高溫合金以及鈦合金複雜零件製造。但是,此前,我國在鎢材料3D列印領域與世界先進國家相較,還是存在很大的差距。現在,這差距正在逐漸拉小,因為我國團隊已經成功解決了難熔金屬鎢材料的鐳射精密成形,“列印”出了用於航空航太領域的鎢基合金晶片散熱器。3D列印技術使散熱器的孔道結構實現了更加靈活的設計,生產週期也大大縮短了,即使是多孔變徑結構,也可以一次成型,而且,不需要後期在進行機加工。

太空探索永無止境!我國的科技工作者、航太工作者必將為推動世界航太事業發展貢獻中國智慧,也將為人類和平利用太空貢獻更多中國力量!而我國的科研團隊也將攀上3D列印科技高峰,為大幅縮短航空航太裝備的研發週期,提高材料利用率,降低製造成本,優化零件結構,減輕材料重量,延長使用壽命等貢獻一份力量!

 

 

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