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铝合金3D打印不再怕开裂！NIST意外捕获"准晶体"，强度飙升的秘密藏在这

文章来源：贤集网更新时间：2025-04-25 14:10:11

在材料科学领域不断探索的征程中，每一次新发现都可能带来革命性的变革。近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）科研团队的一项突破性成果，为3D打印铝合金的发展掀开了全新篇章——在使用激光粉末床熔融（PBF-LB）技术制备3D打印铝合金时，意外观测到一种具有五重对称性的准晶体新相。这一发现不仅打破了传统晶体学认知，更为提升增材制造零部件性能、开拓新型合金材料研发方向带来了无限可能。

一、准晶体与3D打印铝合金：从理论颠覆到技术攻坚的材料革命

在材料科学的发展历程中，每一次颠覆性理论的诞生都伴随着技术革新的浪潮。1982年，以色列科学家Dan Shechtman在实验室首次合成准晶体，这一发现彻底打破了传统晶体学中“原子排列必须具有周期性”的固有认知。

在传统理论框架下，晶体原子以重复堆砌的模式构成结构，如食盐晶体的立方体原子排列；而准晶体的原子排列虽有序却无周期性，类似于彭罗斯镶嵌图案，其独特结构超出了传统晶体学定义的230种原子排列模式。

由于与当时的科学认知相悖，Shechtman的发现遭遇诸多质疑。但他凭借严谨的研究，最终证实了准晶体的存在，并因此荣获2011年诺贝尔化学奖。此后，准晶体研究从理论走向实践，尽管自然界中准晶体仅在陨石等极少数物质中存在，但实验室合成与应用探索成为科学界关注的焦点，也为后续材料科学的突破埋下伏笔。

与此同时，金属3D打印技术凭借其独特的制造优势，能够实现传统工艺难以达成的复杂设计与性能，在航空航天、汽车制造等高端领域展现出巨大潜力。然而，铝合金作为兼具低密度、高比强度和耐腐蚀性的理想材料，在3D打印过程中却面临着严峻挑战。高强度铝合金在打印时极易开裂，成为阻碍其增材制造发展的核心难题。

这一困境的根源在于温度控制的复杂性。铝的熔点为660°C，而激光粉末床熔融（PBF-LB）技术中激光温度高达2400°C，巨大的温差极易引发不良微观结构和热应力。加之铝的高导热率导致冷却速度极快，进一步加剧了温度不均，使得打印过程中的开裂风险显著增加。此外，铝合金凝固过程中的组织演变复杂，气孔、缩松等缺陷频发，严重影响打印部件的性能与可靠性。

为攻克这些技术瓶颈，科研人员持续探索创新路径。2017年，美国HRL实验室与加州大学圣巴巴拉分校的研究团队在铝粉中引入锆元素，成功研制出7A77锆增强铝合金。该材料通过锆基纳米颗粒作为成核剂，有效稳定凝固过程，减少开裂现象，实现细晶粒微观结构，强度突破600Mpa，为铝合金3D打印提供了突破性解决方案。这一成果不仅缓解了铝合金打印的技术难题，更为后续材料性能的进一步提升奠定了基础，也为新的材料发现埋下了探索的种子。

二、从意外发现到性能突破：3D打印铝合金中准晶体的奥秘与价值

NIST的研究团队以7A77铝合金为研究对象，在借助先进分析技术探究其多尺度微观结构时，研究员Andrew Iams在常规显微分析中获得意外发现：一种具有五重旋转对称性的特殊晶体结构。该晶体绕轴旋转72度后，原子排列依然保持不变，而这种五重对称性在传统晶体学认知里被视为“禁忌”——传统晶体的对称性通常仅存在二重、三重、四重或六重。

随着研究的深入推进，研究人员发现该晶体同时展现出三重和二重对称性，通过电子显微镜等精密仪器对原子排列模式进行细致观察与深度分析，最终确认其为准晶体。进一步研究发现，3D打印的7A77铝合金呈现出明显的双峰微观结构：靠近熔池边界处，分布着含有Al?Zr相的细小等轴晶粒；而在熔池中心，则是具有二十面体准晶特征的较粗晶粒。

显微图像中，浅灰区域是铝合金传统晶体的截面，黑点代表准晶体截面，从准晶体截面延伸出的黑线为缺陷，这些看似破坏晶体规则的缺陷，实则成为提升合金强度的关键要素。

这一微观结构特征与铝合金强度提升密切相关。在金属材料领域，完美晶体结构因原子排列规则，原子间容易发生滑移，随着滑移的累积，金属易出现弯曲、拉伸甚至断裂现象，导致其强度反而较低。

而准晶体的出现打破了铝合金中传统晶体的规则结构，引入了缺陷。这些缺陷能够有效阻碍位错运动——位错作为金属晶体中特殊的线缺陷，是金属发生塑性变形的主要方式。准晶体通过限制位错运动，大幅增加了金属变形的难度，从而显著提升了材料强度。

测试数据印证了这一理论，此次制造的7A77铝合金硬度达到2.34GPa，与峰值时效的7075相当。论文研究还指出，准晶体的形成与凝固过程紧密相连，其空间分布和形态特征表明，准晶体形成于凝固后期，主要分布在树枝晶间区域和晶界上，这不仅增强了晶界强度，更为后续通过沉淀硬化热处理进一步提升材料力学性能提供了可能。

三、未来展望：开启合金设计与增材制造新篇章

NIST在3D打印铝合金中发现准晶体新相，为材料科学与增材制造领域带来了全新研究方向。从合金设计角度，这一发现为开发专门利用准晶体提高强度的新型铝合金打开了大门。科研人员可以基于准晶体的特性，调整合金成分与打印工艺参数，探索更多高性能铝合金体系。

在增材制造应用方面，准晶体的引入有助于提升3D打印铝合金零部件的机械性能和可靠性，未来可能催生出更适用于航空航天关键部件、汽车底盘、热交换器等领域的新型3D打印产品。同时，这一发现也促使研究人员重新审视3D打印过程中材料微观结构演变规律，推动激光粉末床熔融等增材制造技术的优化升级。

然而，尽管前景广阔，准晶体在3D打印铝合金中的应用仍面临诸多挑战。例如，如何精确控制准晶体的形成条件与分布，实现其在不同打印工艺和合金体系中的稳定生成；如何深入研究准晶体与其他合金元素、微观结构之间的相互作用机制等。

美国国家标准与技术研究院此次在3D打印铝合金中发现准晶体新相，是材料科学领域的重要里程碑。这一发现不仅深化了人们对材料微观结构与性能关系的理解，更为未来合金设计与增材制造技术发展提供了全新思路与方向。随着研究的不断深入，准晶体有望在3D打印铝合金领域释放更大潜力，推动相关产业迈向新的高度。

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