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鋁合金3D打印不再怕開裂！NIST意外捕獲"準(zhǔn)晶體"，強(qiáng)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(xué)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(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）科研團(tuán)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(zhǔn)晶體新相。這一發(fā)現(xiàn)不僅打破了傳統(tǒng)晶體學(xué)認(rèn)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(zhǔn)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(xué)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(xué)家Dan Shechtman在實驗室首次合成準(zhǔn)晶體，這一發(fā)現(xiàn)徹底打破了傳統(tǒng)晶體學(xué)中“原子排列必須具有周期性”的固有認(rèn)知。



在傳統(tǒng)理論框架下，晶體原子以重復(fù)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(zhǔn)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(xué)定義的230種原子排列模式。



由于與當(dāng)時的科學(xué)認(rèn)知相悖，Shechtman的發(fā)現(xiàn)遭遇諸多質(zhì)疑。但他憑借嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难芯?，最終證實了準(zhǔn)晶體的存在，并因此榮獲2011年諾貝爾化學(xué)獎。此后，準(zhǔn)晶體研究從理論走向?qū)嵺`，盡管自然界中準(zhǔn)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(yīng)用探索成為科學(xué)界關(guān)注的焦點，也為后續(xù)材料科學(xué)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(dá)成的復(fù)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(qiáng)度和耐腐蝕性的理想材料，在3D打印過程中卻面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。高強(qiáng)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(fù)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(dá)2400°C，巨大的溫差極易引發(fā)不良微觀結(jié)構(gòu)和熱應(yīng)力。加之鋁的高導(dǎo)熱率導(dǎo)致冷卻速度極快，進(jìn)一步加劇了溫度不均，使得打印過程中的開裂風(fēng)險顯著增加。此外，鋁合金凝固過程中的組織演變復(fù)雜，氣孔、縮松等缺陷頻發(fā)，嚴(yán)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(xué)圣巴巴拉分校的研究團(tuán)隊在鋁粉中引入鋯元素，成功研制出7A77鋯增強(qiáng)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(xì)晶粒微觀結(jié)構(gòu)，強(qiáng)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(jìn)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(zhǔn)晶體的奧秘與價值



NIST的研究團(tuán)隊以7A77鋁合金為研究對象，在借助先進(jìn)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(xué)認(rèn)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(jìn)，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(jìn)行細(xì)致觀察與深度分析，最終確認(rèn)其為準(zhǔn)晶體。進(jìn)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(xì)小等軸晶粒；而在熔池中心，則是具有二十面體準(zhǔn)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(zhǔn)晶體截面，從準(zhǔn)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(qiáng)度的關(guān)鍵要素。



這一微觀結(jié)構(gòu)特征與鋁合金強(qiáng)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(dǎo)致其強(qiáng)度反而較低。



而準(zhǔn)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(zhǔn)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(qiáng)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(dá)到2.34GPa，與峰值時效的7075相當(dāng)。論文研究還指出，準(zhǔn)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(zhǔn)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(qiáng)了晶界強(qiáng)度，更為后續(xù)通過沉淀硬化熱處理進(jìn)一步提升材料力學(xué)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(zhǔn)晶體新相，為材料科學(xué)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(zhǔn)晶體提高強(qiáng)度的新型鋁合金打開了大門?？蒲腥藛T可以基于準(zhǔn)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(yīng)用方面，準(zhǔn)晶體的引入有助于提升3D打印鋁合金零部件的機(jī)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(zhǔn)晶體在3D打印鋁合金中的應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)。例如，如何精確控制準(zhǔn)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(zhǔn)晶體與其他合金元素、微觀結(jié)構(gòu)之間的相互作用機(jī)制等。



美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院此次在3D打印鋁合金中發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)晶體新相，是材料科學(xué)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(zhǔn)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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