據美國國家標準與技術研究院 (NIST) 稱，研究人員在 3D 打印鋁合金中發現了一種被稱為準晶體的特殊原子結構。材料研究工程師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，隨后證實了準晶體的存在，并發現它們可以增強鋁合金的強度。

本研究中發現的準晶體

這項研究以“Microstructural features and metastable phase formation in a high-strength aluminum alloy fabricated using additive manufacturing”為題發表在《Journal of Alloys and Compounds》上。這一發現可能有助于開發專門利用準晶體來提高強度的新型鋁合金。本研究的通訊作者之一為Fan Zhang。

https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.180281

文章通訊作者之一Fan Zhang

從原子尺度上理解鋁，將使一種全新的3D打印部件成為可能，例如飛機部件、熱交換器和汽車底盤。這也將為利用準晶體提高強度的新型鋁合金的研究打開大門。

準晶體與普通晶體類似，但有一些關鍵的區別。傳統晶體是指由原子或分子以重復模式構成的固體。例如，食鹽就是一種常見的晶體。鹽的原子連接在一起形成立方體，這些微小的立方體再連接在一起，形成更大的立方體，大到可以用肉眼看到。

這幅瓷磚圖案具有與準晶體相同的特性，雖然由幾個相同的基本形狀構成，但整體圖案卻不重復

原子形成重復晶體圖案的可能方式只有230種，但準晶體不屬于其中任何一種，它們特殊的形狀使其能夠形成填充空間永不重復的圖案。

以色列理工學院材料科學Dan Shechtman于20世紀80年代在美國國家標準與技術研究院（NIST） 休假期間發現了準晶體。當時，許多科學家認為他的研究存在缺陷，因為他發現的新晶體形狀在晶體的正常規則下不可能存在。但他通過細致的研究，證明了這種新型晶體的存在，從而徹底改變了晶體學，并于2011年榮獲諾貝爾化學獎。而此次，NIST的科學家在3D打印鋁合金中再次發現了準晶。

7A77單道微結構的SEM-EBSD IPF-Z顏色圖

顯示了熔池邊界處的細晶和過程中心的粗晶

Zhang Fan表示，鋁合金的激光金屬3D打印非常困難，過程很容易產生裂紋。普通鋁的熔點約為700℃，3D打印機中的激光器必須將溫度升高到更高的程度，甚至超過沸點2470 ℃。這個過程會改變金屬的許多特性，鋁比其他金屬導熱率更高，因此冷卻得更快，因此影響更嚴重。

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——7A77，該材料因使用鋯基納米顆粒作為成核劑，避免了7075和6061鋁合金在采用激光進行打印時出現的易開裂問題，并可實現細晶粒微觀結構，強度超過600 Mpa。美國國家標準與技術研究院（NIST）對這種鋁鋯合金進行了研究，了解其原子結構。Zhang Fan表示：“為了確保這種新金屬能夠用于軍用飛機等關鍵部件，我們需要深入了解原子之間的相互作用。”他們發現準晶體在其中發揮了關鍵作用。

該研究中鋁合金的SEM圖像

NIST的研究人員以7A77鋁合金為研究對象，考察了其在多個長度尺度上的原始微觀結構。分析表明，激光3D打印為其微觀結構中引入了多種亞穩相。具體來說，他們在3D打印的7A77鋁合金中發現了明顯的雙峰微觀結構：含有Al?Zr相的細小等軸晶粒和以一種以前從未報道過的較粗晶粒，后者具有二十面體準晶特征。其中，細小等軸晶粒分布在靠近熔池邊界處，而熔池中心則為較粗的拉長晶粒。

單道顯微組織的襯度圖像，顯示了旋轉角度接近60°的晶界，用紅色突出顯示；IPF-Z顏色圖顯示了兩個鋁晶粒，標記為1和2，由旋轉角度接近60°的晶界分隔

從顯微圖像可以看出，淺灰區域是鋁合金內部傳統晶體的截面，黑點是NIST發現的準晶體截面。黑線從準晶體截面延伸而出，這些線條是缺陷，它們破壞了整個合金中傳統晶體的模式，從而提高了合金的強度。

論文指出，這種微觀結構的形成與凝固過程密切相關。研究發現，準晶體的空間分布和形態特征強烈表明，準晶體的形成發生在凝固過程的后期，分布在樹枝晶間區域和晶界上。它的出現增強了晶界強度，阻礙位錯運動，有助于提高材料強度。測試結果表明，制造的7A77鋁合金的的硬度水平與峰值時效的7075相當，達到2.34GPa。因此，通過后續的沉淀硬化熱處理，該材料的的力學性能可以進一步提高。

納米壓痕圖疊加在AA7A77單道SEM圖像上和相應的IPF-Z顏色圖。(a)(d)SEM圖像和EDS元素分布圖，顯示在(d)細晶和(a)粗晶區域內的特征壓痕

在金屬中，完美晶體的強度較低。完美晶體的規則結構使原子更容易相互滑移。當這種情況發生時，金屬會彎曲、拉伸或斷裂。準晶體會破壞鋁晶體的規則結構，產生缺陷，從而使金屬強度更高。總的來說，這項研究將為合金設計開辟一條新途徑。

注：本文由3D打印技術參考創作，未經聯系授權，謝絕轉載。

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