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鋁合金3D打印不再怕開裂！NIST意外捕獲"準晶體"，強度飆升的秘密藏在這
文章來源：賢集網(wǎng)     更新時間：2025-04-25 14:10:11
在材料科學領(lǐng)域不斷探索的征程中，每一次新發(fā)現(xiàn)都可能帶來革命性的變革。近日，美國國家標準與技術(shù)研究院（NIST）科研團隊的一項突破性成果，為3D打印鋁合金的發(fā)展掀開了全新篇章——在使用激光粉末床熔融（PBF-LB）技術(shù)制備3D打印鋁合金時，意外觀測到一種具有五重對稱性的準晶體新相。這一發(fā)現(xiàn)不僅打破了傳統(tǒng)晶體學認知，更為提升增材制造零部件性能、開拓新型合金材料研發(fā)方向帶來了無限可能。



一、準晶體與3D打印鋁合金：從理論顛覆到技術(shù)攻堅的材料革命



在材料科學的發(fā)展歷程中，每一次顛覆性理論的誕生都伴隨著技術(shù)革新的浪潮。1982年，以色列科學家Dan Shechtman在實驗室首次合成準晶體，這一發(fā)現(xiàn)徹底打破了傳統(tǒng)晶體學中“原子排列必須具有周期性”的固有認知。



在傳統(tǒng)理論框架下，晶體原子以重復堆砌的模式構(gòu)成結(jié)構(gòu)，如食鹽晶體的立方體原子排列；而準晶體的原子排列雖有序卻無周期性，類似于彭羅斯鑲嵌圖案，其獨特結(jié)構(gòu)超出了傳統(tǒng)晶體學定義的230種原子排列模式。



由于與當時的科學認知相悖，Shechtman的發(fā)現(xiàn)遭遇諸多質(zhì)疑。但他憑借嚴謹?shù)难芯浚罱K證實了準晶體的存在，并因此榮獲2011年諾貝爾化學獎。此后，準晶體研究從理論走向?qū)嵺`，盡管自然界中準晶體僅在隕石等極少數(shù)物質(zhì)中存在，但實驗室合成與應用探索成為科學界關(guān)注的焦點，也為后續(xù)材料科學的突破埋下伏筆。



與此同時，金屬3D打印技術(shù)憑借其獨特的制造優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)工藝難以達成的復雜設(shè)計與性能，在航空航天、汽車制造等高端領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。然而，鋁合金作為兼具低密度、高比強度和耐腐蝕性的理想材料，在3D打印過程中卻面臨著嚴峻挑戰(zhàn)。高強度鋁合金在打印時極易開裂，成為阻礙其增材制造發(fā)展的核心難題。



這一困境的根源在于溫度控制的復雜性。鋁的熔點為660°C，而激光粉末床熔融（PBF-LB）技術(shù)中激光溫度高達2400°C，巨大的溫差極易引發(fā)不良微觀結(jié)構(gòu)和熱應力。加之鋁的高導熱率導致冷卻速度極快，進一步加劇了溫度不均，使得打印過程中的開裂風險顯著增加。此外，鋁合金凝固過程中的組織演變復雜，氣孔、縮松等缺陷頻發(fā)，嚴重影響打印部件的性能與可靠性。



為攻克這些技術(shù)瓶頸，科研人員持續(xù)探索創(chuàng)新路徑。2017年，美國HRL實驗室與加州大學圣巴巴拉分校的研究團隊在鋁粉中引入鋯元素，成功研制出7A77鋯增強鋁合金。該材料通過鋯基納米顆粒作為成核劑，有效穩(wěn)定凝固過程，減少開裂現(xiàn)象，實現(xiàn)細晶粒微觀結(jié)構(gòu)，強度突破600Mpa，為鋁合金3D打印提供了突破性解決方案。這一成果不僅緩解了鋁合金打印的技術(shù)難題，更為后續(xù)材料性能的進一步提升奠定了基礎(chǔ)，也為新的材料發(fā)現(xiàn)埋下了探索的種子。



二、從意外發(fā)現(xiàn)到性能突破：3D打印鋁合金中準晶體的奧秘與價值



NIST的研究團隊以7A77鋁合金為研究對象，在借助先進分析技術(shù)探究其多尺度微觀結(jié)構(gòu)時，研究員Andrew Iams在常規(guī)顯微分析中獲得意外發(fā)現(xiàn)：一種具有五重旋轉(zhuǎn)對稱性的特殊晶體結(jié)構(gòu)。該晶體繞軸旋轉(zhuǎn)72度后，原子排列依然保持不變，而這種五重對稱性在傳統(tǒng)晶體學認知里被視為“禁忌”——傳統(tǒng)晶體的對稱性通常僅存在二重、三重、四重或六重。



隨著研究的深入推進，研究人員發(fā)現(xiàn)該晶體同時展現(xiàn)出三重和二重對稱性，通過電子顯微鏡等精密儀器對原子排列模式進行細致觀察與深度分析，最終確認其為準晶體。進一步研究發(fā)現(xiàn)，3D打印的7A77鋁合金呈現(xiàn)出明顯的雙峰微觀結(jié)構(gòu)：靠近熔池邊界處，分布著含有Al?Zr相的細小等軸晶粒；而在熔池中心，則是具有二十面體準晶特征的較粗晶粒。



顯微圖像中，淺灰區(qū)域是鋁合金傳統(tǒng)晶體的截面，黑點代表準晶體截面，從準晶體截面延伸出的黑線為缺陷，這些看似破壞晶體規(guī)則的缺陷，實則成為提升合金強度的關(guān)鍵要素。



這一微觀結(jié)構(gòu)特征與鋁合金強度提升密切相關(guān)。在金屬材料領(lǐng)域，完美晶體結(jié)構(gòu)因原子排列規(guī)則，原子間容易發(fā)生滑移，隨著滑移的累積，金屬易出現(xiàn)彎曲、拉伸甚至斷裂現(xiàn)象，導致其強度反而較低。



而準晶體的出現(xiàn)打破了鋁合金中傳統(tǒng)晶體的規(guī)則結(jié)構(gòu)，引入了缺陷。這些缺陷能夠有效阻礙位錯運動——位錯作為金屬晶體中特殊的線缺陷，是金屬發(fā)生塑性變形的主要方式。準晶體通過限制位錯運動，大幅增加了金屬變形的難度，從而顯著提升了材料強度。



測試數(shù)據(jù)印證了這一理論，此次制造的7A77鋁合金硬度達到2.34GPa，與峰值時效的7075相當。論文研究還指出，準晶體的形成與凝固過程緊密相連，其空間分布和形態(tài)特征表明，準晶體形成于凝固后期，主要分布在樹枝晶間區(qū)域和晶界上，這不僅增強了晶界強度，更為后續(xù)通過沉淀硬化熱處理進一步提升材料力學性能提供了可能。



三、未來展望：開啟合金設(shè)計與增材制造新篇章



NIST在3D打印鋁合金中發(fā)現(xiàn)準晶體新相，為材料科學與增材制造領(lǐng)域帶來了全新研究方向。從合金設(shè)計角度，這一發(fā)現(xiàn)為開發(fā)專門利用準晶體提高強度的新型鋁合金打開了大門。科研人員可以基于準晶體的特性，調(diào)整合金成分與打印工藝參數(shù)，探索更多高性能鋁合金體系。



在增材制造應用方面，準晶體的引入有助于提升3D打印鋁合金零部件的機械性能和可靠性，未來可能催生出更適用于航空航天關(guān)鍵部件、汽車底盤、熱交換器等領(lǐng)域的新型3D打印產(chǎn)品。同時，這一發(fā)現(xiàn)也促使研究人員重新審視3D打印過程中材料微觀結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，推動激光粉末床熔融等增材制造技術(shù)的優(yōu)化升級。



然而，盡管前景廣闊，準晶體在3D打印鋁合金中的應用仍面臨諸多挑戰(zhàn)。例如，如何精確控制準晶體的形成條件與分布，實現(xiàn)其在不同打印工藝和合金體系中的穩(wěn)定生成；如何深入研究準晶體與其他合金元素、微觀結(jié)構(gòu)之間的相互作用機制等。



美國國家標準與技術(shù)研究院此次在3D打印鋁合金中發(fā)現(xiàn)準晶體新相，是材料科學領(lǐng)域的重要里程碑。這一發(fā)現(xiàn)不僅深化了人們對材料微觀結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的理解，更為未來合金設(shè)計與增材制造技術(shù)發(fā)展提供了全新思路與方向。隨著研究的不斷深入，準晶體有望在3D打印鋁合金領(lǐng)域釋放更大潛力，推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)邁向新的高度。



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