研究人員利用非重復(fù)準晶結(jié)構(gòu)實現(xiàn)3D打印高強鋁合金，為合金設(shè)計開辟新途徑

2025年4月14日，南極熊獲悉，來自美國國家標準與技術(shù)研究院(NIST)的研究人員在 3D 打印鋁合金中發(fā)現(xiàn)了一種被稱為準晶體的特殊原子結(jié)構(gòu)。這種罕見的非重復(fù)準晶體會產(chǎn)生缺陷，從而增強金屬的機械性能。

相關(guān)研究成果以題為“Microstructural features andmetastable phase formation in a high-strength aluminum alloy fabricated usingadditive manufacturing”的論文發(fā)表在《合金與化合物雜志》上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.180281

材料研究工程師 Andrew Iams 用電子顯微鏡觀察一小片新型鋁合金時，注意到原子以一種意想不到的模式排列。“那一刻我開始興奮起來，因為我以為我看到的可能是準晶體。” 他和 NIST 的同事證實了準晶體的存在，并發(fā)現(xiàn)它們增強了鋁合金的強度。

新型鋁合金是在金屬3D打印的極端條件下形成的。這一發(fā)現(xiàn)可能有助于開發(fā)專門利用準晶體來提高強度的新型鋁合金。

準晶體不同于普通晶體，普通晶體具有重復(fù)的原子模式，例如形成立方體的鹽晶體。準晶體填充空間，但其模式從不重復(fù)。丹·謝赫特曼 (Dan Shechtman) 于 20 世紀 80 年代在美國國家標準與技術(shù)研究院 (NIST) 發(fā)現(xiàn)了準晶體，這一發(fā)現(xiàn)最初受到質(zhì)疑，但后來得到證實，并于 2011 年獲得諾貝爾獎。幾十年后，在同一機構(gòu)工作時，伊姆斯 (Iams) 在3D 打印鋁中發(fā)現(xiàn)了準晶體。

眾所周知，鋁的3D打印難度極高。美國國家標準與技術(shù)研究院（NIST）物理學家張帆說道：“高強度鋁合金幾乎不可能打印，它們很容易出現(xiàn)裂紋，導致無法使用?！?鋁的熔點通常在700°C左右，但用于3D打印時需要加熱到遠高于其沸點（2470°C）的溫度，這會改變性能。

△Penrose瓷磚圖案具有一些與準晶體相同的特性。即使圖像由幾個相同的基本形狀構(gòu)成，整體圖案也不會重復(fù)。資料來源：NIST

2017年，HRL實驗室和加州大學圣巴巴拉分校的研究人員研制出一種鋯增強鋁合金，這種合金可以在打印過程中不開裂。美國國家標準與技術(shù)研究院（NIST）對這種鋁鋯合金進行了研究，以了解其原子結(jié)構(gòu)。張教授表示：“為了確保這種新金屬能夠用于軍用飛機等關(guān)鍵部件，我們需要深入了解原子之間的相互作用?！?他們發(fā)現(xiàn)準晶體在其中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

在金屬中，完美的晶體會因為原子容易滑移而削弱結(jié)構(gòu)，從而導致變形。準晶體會破壞這種規(guī)律，產(chǎn)生缺陷，從而增強金屬的強度。張教授說：“現(xiàn)在我們有了這一發(fā)現(xiàn)，我認為它將為合金設(shè)計開辟一條新途徑?！?/div>