科学家发现一种罕见准晶，可提升3D打印铝合金的强度

2025年4月16日

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据美国国家标准与技术研究院(NIST)称，研究人员在3D打印铝合金中发现了一种被称为准晶体的特殊原子结构。材料研究工程师用电子显微镜观察一小片新型铝合金时，注意到原子以一种意想不到的模式排列，随后证实了准晶体的存在，并发现它们可以增强铝合金的强度。

本研究中发现的准晶体

这项研究以“Microstructural features and metastable phase formation in a high-strength aluminum alloy fabricated using additive manufacturing”为题发表在《Journal of Alloys and Compounds》上。这一发现可能有助于开发专门利用准晶体来提高强度的新型铝合金。本研究的通讯作者之一为Fan Zhang。

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

文章通讯作者之一Fan Zhang

从原子尺度上理解铝，将使一种全新的3D打印部件成为可能，例如飞机部件、热交换器和汽车底盘。这也将为利用准晶体提高强度的新型铝合金的研究打开大门。

准晶体与普通晶体类似，但有一些关键的区别。传统晶体是指由原子或分子以重复模式构成的固体。例如，食盐就是一种常见的晶体。盐的原子连接在一起形成立方体，这些微小的立方体再连接在一起，形成更大的立方体，大到可以用肉眼看到。

这幅瓷砖图案具有与准晶体相同的特性，虽然由几个相同的基本形状构成，但整体图案却不重复

原子形成重复晶体图案的可能方式只有230种，但准晶体不属于其中任何一种，它们特殊的形状使其能够形成填充空间永不重复的图案。

以色列理工学院材料科学Dan Shechtman于20世纪80年代在美国国家标准与技术研究院（NIST）休假期间发现了准晶体。当时，许多科学家认为他的研究存在缺陷，因为他发现的新晶体形状在晶体的正常规则下不可能存在。但他通过细致的研究，证明了这种新型晶体的存在，从而彻底改变了晶体学，并于2011年荣获诺贝尔化学奖。而此次，NIST的科学家在3D打印铝合金中再次发现了准晶。

7A77单道微结构的SEM-EBSD IPF-Z颜色图显示了熔池边界处的细晶和过程中心的粗晶

Zhang Fan表示，铝合金的激光金属3D打印非常困难，过程很容易产生裂纹。普通铝的熔点约为700℃，3D打印机中的激光器必须将温度升高到更高的程度，甚至超过沸点2470 ℃。这个过程会改变金属的许多特性，铝比其他金属导热率更高，因此冷却得更快，因此影响更严重。

2017年，HRL实验室和加州大学圣巴巴拉分校的研究人员研制出一种锆增强铝合金——7A77，该材料因使用锆基纳米颗粒作为成核剂，避免了7075和6061铝合金在采用激光进行打印时出现的易开裂问题，并可实现细晶粒微观结构，强度超过600 Mpa。美国国家标准与技术研究院（NIST）对这种铝锆合金进行了研究，了解其原子结构。Zhang Fan表示：“为了确保这种新金属能够用于军用飞机等关键部件，我们需要深入了解原子之间的相互作用。”他们发现准晶体在其中发挥了关键作用。

该研究中铝合金的SEM图像

NIST的研究人员以7A77铝合金为研究对象，考察了其在多个长度尺度上的原始微观结构。分析表明，激光3D打印为其微观结构中引入了多种亚稳相。具体来说，他们在3D打印的7A77铝合金中发现了明显的双峰微观结构：含有Al₃Zr相的细小等轴晶粒和以一种以前从未报道过的较粗晶粒，后者具有二十面体准晶特征。其中，细小等轴晶粒分布在靠近熔池边界处，而熔池中心则为较粗的拉长晶粒。

单道显微组织的衬度图像，显示了旋转角度接近60°的晶界，用红色突出显示；IPF-Z颜色图显示了两个铝晶粒，标记为1和2，由旋转角度接近60°的晶界分隔

从显微图像可以看出，浅灰区域是铝合金内部传统晶体的截面，黑点是NIST发现的准晶体截面。黑线从准晶体截面延伸而出，这些线条是缺陷，它们破坏了整个合金中传统晶体的模式，从而提高了合金的强度。

论文指出，这种微观结构的形成与凝固过程密切相关。研究发现，准晶体的空间分布和形态特征强烈表明，准晶体的形成发生在凝固过程的后期，分布在树枝晶间区域和晶界上。它的出现增强了晶界强度，阻碍位错运动，有助于提高材料强度。测试结果表明，制造的7A77铝合金的的硬度水平与峰值时效的7075相当，达到2.34GPa。因此，通过后续的沉淀硬化热处理，该材料的的力学性能可以进一步提高。