研究人员利用非重复准晶结构实现3D打印高强铝合金，为合金设计开辟新途径

2025年4月14日，南极熊获悉，来自美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员在 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。这种罕见的非重复准晶体会产生缺陷，从而增强金属的机械性能。

相关研究成果以题为“Microstructural features andmetastable phase formation in a high-strength aluminum alloy fabricated usingadditive manufacturing”的论文发表在《合金与化合物杂志》上。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.180281

材料研究工程师 Andrew Iams 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。“那一刻我开始兴奋起来，因为我以为我看到的可能是准晶体。” 他和 NIST 的同事证实了准晶体的存在，并发现它们增强了铝合金的强度。

新型铝合金是在金属3D打印的极端条件下形成的。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。

准晶体不同于普通晶体，普通晶体具有重复的原子模式，例如形成立方体的盐晶体。准晶体填充空间，但其模式从不重复。丹·谢赫特曼 (Dan Shechtman) 于 20 世纪 80 年代在美国国家标准与技术研究院 (NIST) 发现了准晶体，这一发现最初受到质疑，但后来得到证实，并于 2011 年获得诺贝尔奖。几十年后，在同一机构工作时，伊姆斯 (Iams) 在3D 打印铝中发现了准晶体。

众所周知，铝的3D打印难度极高。美国国家标准与技术研究院（NIST）物理学家张帆说道：“高强度铝合金几乎不可能打印，它们很容易出现裂纹，导致无法使用。” 铝的熔点通常在700°C左右，但用于3D打印时需要加热到远高于其沸点（2470°C）的温度，这会改变性能。

△Penrose瓷砖图案具有一些与准晶体相同的特性。即使图像由几个相同的基本形状构成，整体图案也不会重复。资料来源：NIST

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，这种合金可以在打印过程中不开裂。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，以了解其原子结构。张教授表示：“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。

在金属中，完美的晶体会因为原子容易滑移而削弱结构，从而导致变形。准晶体会破坏这种规律，产生缺陷，从而增强金属的强度。张教授说：“现在我们有了这一发现，我认为它将为合金设计开辟一条新途径。”