神秘晶体解锁3D打印新世界 合金瑕疵问题有解

【中国观察2025年05月08日讯】近年来3D金属打印，因其具有的快速制造复杂的轻质零件等优点，成为航空航天与汽车业的新宠，不过，部分金属粉末难以用于3D金属打印上。这次，美国科学家在合金中找到特殊晶体，有望改善合金在打印时容易出现瑕疵的问题。
航空航天和汽车等各行业会通过3D金属打印方式，制造出具有复杂几何形状的轻质零件，以提高材料效率和缩短整体生产周期。不过，铝金属与其它材料在高温和快速冷却上出现明显差异，导致成品微观结构容易出现不均匀的现象和细小裂缝，这严重影响产品的机械性和耐用性。
这次，美国国家标准与技术研究所（National Institute of Standards and Technology，NIST）工程师安德鲁‧伊姆斯（Andrew Iams）与团队成员发现，3D打印铝合金属中的“准晶体”，是改善铝合金打印容易出现裂缝的关键。这项发现有望为新型铝合金的研究打开新世界，这项研究成果于4月发表在《合金和化合物杂志》（Journal Of Alloys And Compounds）上。
当时NIST研究团队通过电子显微镜观察铝锆（Zr）合金薄片，想知道是什么改善了铝的缺陷让它变得可以打印和坚固，是否存在影响合金强度的关键晶体。他们使用的铝锆合金是加州的一个实验团队于2017年开发，专为解决铝合金3D打印裂缝问题而设计。
过程中，NIST研究团队注意到原子的排列方式极为不寻常，与科学界认知的“传统晶体”不一样，但与先前以色列理工学院材料科学家丹‧谢赫特曼（Dan Shechtman）发现的“准晶体”极为相似。“准晶体”又称“拟晶”或“准晶”，是一种介于晶体和非晶体之间的特殊固体。
实验人员发现，“准晶体”破坏了铝晶体的规则结构，使得原本完美的内部出现更多缺陷，从而强化金属的性能。原因在于它独特且非重复的原子排列方式，使它们填满整个金属内部空间，
他们还发现，这些准晶体具有五重旋转对称性，即旋转晶体时有五种角度看起来都相同。此外，该“准晶体”从两种不角度观测时，能显示它具有三重对称性和双重对称性。
目前，科学界公认的传统晶体图案大约只有230种，该种晶体是由原子或分子以重复模式构成的任何固体，像是常见的食盐。不过，这些传统晶体因完美结构，导致其内部的原子与原子容易产生滑动，让物体出现了弯曲、拉伸或断裂等现象。
NIST工程师安德鲁‧伊姆斯对NIST研究院的新闻室表示，“在发现之前，我很难相信有这种晶体是真的，直到通过显微镜观察材料时，才发现自己可能看到一种准晶体。这种五重对称性是一种准晶体的明显迹象，且非常罕见。”
论文的共同作者、NIST物理学家张帆（Fan Zhang）则表示，“过去认为高强度铝合金几乎不可能成功打印出来，因为它们很容易出现裂缝以致无法正常使用。于是我们要了解铝锆合金内部究竟有什么秘密解决打印难题。”
他接着表示，“现在这项新发现可能为将来的合金设计开辟新道路。同时证明这种准晶体可以增强铝合金的强度，或许人们未来可能会用这些准晶体制造其它种类的合金材料。”
“准晶体”由以色列理工学院材料科学家丹‧谢赫特曼于1980年代在休假期间于NIST发现。当时许多科学家质疑这项发现，认为他的研究有缺陷。原因是这种新晶体形状，违反传统晶体的二重、三重、四重或六重旋转对称性和生成规律。
不过，谢赫特曼最终证实其真实性，并彻底改变晶体学，已于2011年获得了诺贝尔化学奖。
目前，3D打印金属方法有最常见的“粉末床熔融法”，其工作原理是将金属粉末均匀且薄薄地铺上一层，通过强大激光（雷射）熔化粉末，等待第一层完成后再重复这些动作，直至完成零件。
这种技术创造出多种传统工艺无法实现的形状，并大幅减轻成品零件的重量。例如，通用电气（GE）于2015年设计的飞机引擎燃油喷嘴，仅能通过3D金属打印制造，制造出的新喷嘴不仅大幅提升引擎性能，减少25%的重量，同时减少了零部件的使用数量。
迄今为止，通用电气已经打印了数万个此类燃油喷嘴，显示3D金属打印的商业潜力。
然而，目前3D金属打印仅适用于少数几种金属，且铝合金的打印仍面临挑战。普通铝的熔点约为700°C，而3D打印的激光温度远超铝沸点2,470°C，导致铝金属加热和冷却速度远超其它金属，使得铝合金微观结构容易出现结晶不均匀，易产生裂缝，严重影响成品的性能。
为解决铝合金打印难题，加州HRL实验室（HRL Laboratories）与加州大学圣塔芭芭拉分校（UCSB）于2017年开发出添加锆的铝合金粉末。此铝锆合金在打印后形成坚固结构，有效减少裂缝问题。