Этот 3D -принтер строит объекты, таяв тонкий металлический порошок с лазером. Во -первых, поверхность покрыта металлическим порошком. Затем мощный лазер растает этот порошок в определенном рисунке. Процесс повторяется сотни или тысячи раз, строя металлический слой за слоем. Наконец, когда объект завершен, избыточный порошок удаляется. Кредит: Дженнифер Лорен Ли/NIST Электронный микроскоп изображение алюминиевого сплава из исследования. Светлостные области представляют собой участки традиционных кристаллов в алюминиевом сплаве, в то время как черные точки являются секциями, где NIST обнаружил квазикристаллы. Из -за пролаженных черных линий из квазикристаллических секций. Эти линии являются дефектами, которые разбивают схему традиционных кристаллов по всему сплаву, увеличивая его прочность. Кредит: Nist
Эндрю Ямс увидел что -то странное, просматривая свой электронный микроскоп. Он изучал кусочек нового алюминиевого сплава по атомной масштабе, в поисках ключа к его силе, когда он заметил, что атомы были расположены в чрезвычайно необычной схеме.
«Именно тогда я начал волноваться, — сказал Ямс, инженер -исследователь материалов, — потому что я думал, что смогу смотреть на квазицистал».
Мало того, что он нашел квазикристаллы в этом алюминиевом сплаве, но и его коллеги из Национального института стандартов и технологий (NIST) обнаружили, что эти квазикристаллы также делают его сильнее. Они опубликовали свои выводы в Журнал сплавов и соединенийПолем
Сплав, образованный в экстремальных условиях 3D металлической печати, новый способ изготовления металлических деталей. Понимание этого алюминия в атомной масштабе позволит совершенно новой категории 3D-печатных частей, таких как компоненты самолета, теплообменники и автомобильное шасси. Он также откроет дверь для исследования новых алюминиевых сплавов, которые используют квазикристаллы для силы.
Квазицисталлы похожи на обычные кристаллы, но с несколькими ключевыми различиями.
Квазикристаллы, обнаруженные в этом исследовании, образуют углы 20-сторонней формы, называемых икосаэдром. Чтобы доказать, что он нашел икосаэдр, Эндрю Ямсу пришлось вращать образец под своим микроскопом, чтобы показать, что у него была в пять раз, трижды и двукратно вращательную симметрию. Эта анимация показывает эти три взгляда на икосаэдр, а также то, как кристаллы выглядят под микроскопом с трех разных сторон. Кредит: J. Wang/Nist
Традиционный кристалл — это твердый из атомов или молекул в повторяющихся паттернах. Столовая соль является общим кристаллом, например. Атомы соли соединяются с кубиками, и эти микроскопические кубики соединяются, образуя большие кубики, достаточно большие, чтобы увидеть невооруженным глазом.
Есть только 230 возможных способов для атомов образуют повторяющиеся кристаллические узоры. Квазикристаллы не вписываются ни в один из них. Их уникальная форма позволяет им сформировать рисунок, который заполняет пространство, но никогда не повторяется.
Дэн Шехтман, научный сотрудник Материала в Технологическом институте Техниона-Ираиль, обнаружил квазикристаллы, находясь на творчестве в NIST в 1980-х годах. Многие ученые в то время думали, что его исследования были ошибочными, потому что новые кристаллические формы, которые он нашел, не были возможны в соответствии с нормальными правилами для кристаллов. Но благодаря тщательному исследованиям Шехтман вне сомнения доказал, что этот новый тип кристаллов существовал, революционизировав науку о кристаллографии и выиграв Химию Нобелевскую премию в 2011 году.
Работая в том же здании, что и Shechtman спустя десятилетия, Эндрю Ямс нашел свои собственные квазикристаллы в алюминии с 3D-печатью.
Как работает 3D металлическая печать?
Есть несколько разных способов металлов 3D-печати, но наиболее распространенный называется слияние порошкового слоя. Это работает так: металлический порошок равномерно распределяется в тонком слое. Затем мощный лазер движется по порошке, таящая его вместе. После завершения первого слоя новый слой порошка распространяется сверху, а процесс повторяется. По одному слою за раз лазер растает порошок в твердую форму.
Этот 3D -принтер строит объекты, таяв тонкий металлический порошок с лазером. Во -первых, поверхность покрыта металлическим порошком. Затем мощный лазер растает этот порошок в определенном рисунке. Процесс повторяется сотни или тысячи раз, строя металлический слой за слоем. Наконец, когда объект завершен, избыточный порошок удаляется. Кредит: Дженнифер Лорен Ли/Нист
Трехмерная печать создает формы, которые были бы невозможны с любым другим методом. Например, в 2015 году GE разработал топливные форсунки для двигателей самолетов, которые можно сделать только с 3D металлической печатью. Новое сопло было огромным улучшением. Его сложная форма вышла из принтера в качестве одной легкой части. Напротив, предыдущая версия должна была быть собрана из 20 отдельных частей и была на 25% тяжелее. На сегодняшний день GE напечатал десятки тысяч этих топливных форсунок, показывая, что 3D металлическая печать может быть коммерчески успешной.
Одним из ограничений 3D металлической печати является то, что она работает только с горсткой металлов.
«Высокие алюминиевые сплавы практически невозможно печатать»,-говорит физик NIST Физик Фан Чжан, соавтор на бумаге. «Они имеют тенденцию развивать трещины, которые делают их непригодными для использования».
Почему трудно печатать алюминий?
Нормальный алюминий растает при температуре около 700 градусов C.
В 2017 году команда HRL Laboratories, базирующаяся в Калифорнии, и Калифорнийский университет в Санта-Барбаре обнаружила высокопрочный алюминиевый сплав, который может быть 3D-печать. Они обнаружили, что добавление циркония в алюминиевый порошок предотвращало растрескивание 3D-печатных деталей, что привело к сильному сплаву.
Исследователи NIST намеревались понять этот новый, коммерчески доступный 3D-печать алюминиевого сплава в атомной масштабе.
«Чтобы доверять этому новому металлу достаточно, чтобы использовать в критических компонентах, таких как детали военных самолетов, нам нужно глубокое понимание того, как атомы сочетаются друг с другом», — сказал Чжан.
Команда NIST хотела знать, что сделало этот металл таким сильным. Оказалось, часть ответа была квазикристаллы.
Как квазицисталлы укрепляют алюминий?
В металлах идеальные кристаллы слабы. Регулярные узоры идеальных кристаллов облегчают атомы проскользнуть друг на друга. Когда это произойдет, металл изгибается, растягивается или разрывается. Квазикристаллы разбивают обычный рисунок кристаллов алюминия, вызывая дефекты, которые делают металл сильнее.
Наука о измерении, стоящая за выявлением квазикристалла
Когда Ямс посмотрел на кристаллы под прямым углом, он увидел, что у них пятикратная вращательная симметрия. Это означает, что есть пять способов повернуть кристалл вокруг оси, чтобы он выглядел одинаково.
«Пятикратная симметрия очень редко. Это был явным признаком того, что у нас может быть квазицистал», — сказал Ямс. «Но мы не могли полностью убедить себя, пока не получили правильные измерения».
Чтобы подтвердить, что у них был квазикристал, IAMS пришлось тщательно повернуть кристалл под микроскопом и показать, что он также имел тройную симметрию и двойную симметрию с двух разных углов.
«Теперь, когда у нас есть этот вывод, я думаю, что это откроет новый подход к дизайну сплава», — говорит Чжан. «Мы показали, что квазикристаллы могут сделать алюминий сильнее. Теперь люди могут попытаться намеренно создать их в будущих сплавах».
Больше информации:
Ad Iams et al. Микроструктурные особенности и метастабильная фаза в высокопрочном алюминиевом сплаве, изготовленном с использованием аддитивного производства, Журнал сплавов и соединений (2025). Doi: 10.1016/j.jallcom.2025.180281. www.sciendirect.com/science/… II/S0925838825018390
Предоставлено Национальным институтом стандартов и технологий
Эта история переиздана любезно предоставлена NIST. Прочитайте оригинальную историю здесь.
Цитирование: Редкая форма кристаллов, обнаруженная для увеличения прочности металла с 3D-печатью (2025, 7 апреля), извлеченной 8 апреля 2025 года из этого документа, подвергается авторским правам. Помимо каких -либо справедливых сделок с целью частного исследования или исследования, никакая часть не может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только для информационных целей.
