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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芯片,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工程师安德鲁‧伊姆斯与团队成员发现,3D打印铝合金属中的“准芯片”,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月发布在《合金和化合物杂志》上。
原子排列方式极不寻常
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芯片。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“传统芯片”不一样,但与先前以色列理工学院材料科学家丹‧谢赫特曼发现的“准芯片”极为相似。“准芯片”又称“拟晶”或“准晶”,是一种介于芯片和非芯片之间的特殊固体。
实验人员发现,“准芯片”破坏了铝芯片的规则结构,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,这些准芯片具有五重旋转对称性,即旋转芯片时有五种角度看起来都相同。此外,该“准芯片”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,科学界公认的传统芯片图案大约只有230种,该种芯片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,这些传统芯片因完美结构,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,我很难相信有这种芯片是真的,直到通过显微镜观察材料时,才发现自己可能看到一种准芯片。这种五重对称性是一种准芯片的明显迹象,且非常罕见。”
论文的共同作者、NIST物理学家张帆则表示,“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。同时证明这种准芯片可以增强铝合金的强度,或许人们未来可能会用这些准芯片制造其它种类的合金材料。”
“准芯片”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。原因是这种新芯片形状,违反传统芯片的二重、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,并彻底改变芯片学,已于2011年获得了诺贝尔化学奖。
铝合金在3D金属打印遭遇的挑战
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实验室与加州大学圣塔芭芭拉分校于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。
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