神秘晶體解鎖3D打印合金瑕疵問題有解

日期: 2025-05-12 | 來源: 大紀元 | 有0人參與評論 | 字體: 小中大
近年來3D金屬打印，因其具有的快速制造復雜的輕質零件等優點，成為航空航天與汽車業的新寵，不過，部分金屬粉末難以用於3D金屬打印上。這次，美國科學家在合金中找到特殊晶體，有望改善合金在打印時容易出現瑕疵的問題。

航空航天和汽車等各行業會通過3D金屬打印方式，制造出具有復雜幾何形狀的輕質零件，以提高材料效率和縮短整體生產周期。不過，鋁金屬與其它材料在高溫和快速冷卻上出現明顯差異，導致成品微觀結構容易出現不均勻的現象和細小裂縫，這嚴重影響產品的機械性和耐用性。

這次，美國國家標准與技術研究所（National Institute of Standards and Technology，NIST）工程師安德魯‧伊姆斯（Andrew Iams）與團隊成員發現，3D打印鋁合金屬中的“准晶體”，是改善鋁合金打印容易出現裂縫的關鍵。這項發現有望為新型鋁合金的研究打開新世界，這項研究成果於4月發表在《合金和化合物雜志》（Journal Of Alloys And Compounds）上。

原子排列方式極不尋常

當時NIST研究團隊通過電子顯微鏡觀察鋁鋯（Zr）合金薄片，想知道是什麼改善了鋁的缺陷讓它變得可以打印和堅固，是否存在影響合金強度的關鍵晶體。他們使用的鋁鋯合金是加州的一個實驗團隊於2017年開發，專為解決鋁合金3D打印裂縫問題而設計。

過程中，NIST研究團隊注意到原子的排列方式極為不尋常，與科學界認知的“傳統晶體”不一樣，但與先前以色列理工學院材料科學家丹‧謝赫特曼（Dan Shechtman）發現的“准晶體”極為相似。“准晶體”又稱“擬晶”或“准晶”，是一種介於晶體和非晶體之間的特殊固體。

實驗人員發現，“准晶體”破壞了鋁晶體的規則結構，使得原本完美的內部出現更多缺陷，從而強化金屬的性能。原因在於它獨特且非重復的原子排列方式，使它們填滿整個金屬內部空間，

他們還發現，這些准晶體具有五重旋轉對稱性，即旋轉晶體時有五種角度看起來都相同。此外，該“准晶體”從兩種不角度觀測時，能顯示它具有三重對稱性和雙重對稱性。

目前，科學界公認的傳統晶體圖案大約只有230種，該種晶體是由原子或分子以重復模式構成的任何固體，像是常見的食鹽。不過，這些傳統晶體因完美結構，導致其內部的原子與原子容易產生滑動，讓物體出現了彎曲、拉伸或斷裂等現象。

NIST工程師安德魯‧伊姆斯對NIST研究院的新聞室表示，“在發現之前，我很難相信有這種晶體是真的，直到通過顯微鏡觀察材料時，才發現自己可能看到一種准晶體。這種五重對稱性是一種准晶體的明顯跡象，且非常罕見。”

論文的共同作者、NIST物理學家張帆（Fan Zhang）則表示，“過去認為高強度鋁合金幾乎不可能成功打印出來，因為它們很容易出現裂縫以致無法正常使用。於是我們要了解鋁鋯合金內部究竟有什麼秘密解決打印難題。”

他接著表示，“現在這項新發現可能為將來的合金設計開辟新道路。同時證明這種准晶體可以增強鋁合金的強度，或許人們未來可能會用這些准晶體制造其它種類的合金材料。”

“准晶體”由以色列理工學院材料科學家丹‧謝赫特曼於1980年代在休假期間於NIST發現。當時許多科學家質疑這項發現，認為他的研究有缺陷。原因是這種新晶體形狀，違反傳統晶體的二重、三重、四重或六重旋轉對稱性和生成規律。

不過，謝赫特曼最終證實其真實性，並徹底改變晶體學，已於2011年獲得了諾貝爾化學獎。

鋁合金在3D金屬打印遭遇的挑戰

目前，3D打印金屬方法有最常見的“粉末床熔融法”，其工作原理是將金屬粉末均勻且薄薄地鋪上一層，通過強大激光（雷射）熔化粉末，等待第一層完成後再重復這些動作，直至完成零件。

這種技術創造出多種傳統工藝無法實現的形狀，並大幅減輕成品零件的重量。例如，通用電氣（GE）於2015年設計的飛機引擎燃油噴嘴，僅能通過3D金屬打印制造，制造出的新噴嘴不僅大幅提升引擎性能，減少25%的重量，同時減少了零部件的使用數量。

迄今為止，通用電氣已經打印了數萬個此類燃油噴嘴，顯示3D金屬打印的商業潛力。

然而，目前3D金屬打印僅適用於少數幾種金屬，且鋁合金的打印仍面臨挑戰。普通鋁的熔點約為700°C，而3D打印的激光溫度遠超鋁沸點2,470°C，導致鋁金屬加熱和冷卻速度遠超其它金屬，使得鋁合金微觀結構容易出現結晶不均勻，易產生裂縫，嚴重影響成品的性能。
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