Редкая форма кристалла увеличивает прочность 3D-печатного металла

Фото из открытых источников

Исследователи NIST обнаружили квазикристаллы в алюминиевых сплавах, напечатанных на 3D-принтере. Эти модели повышают прочность алюминия, позволяя использовать его в легких, высокопрочных объектах, таких как детали самолетов.

Квазикристаллы, которые когда-то считались невозможными, были первоначально открыты в Национальном институте стандартов и технологий (NIST), что привело к присуждению Нобелевской премии по химии в 2011 году.

Эндрю Ямс увидел что-то странное, глядя в свой электронный микроскоп. Он изучал кусочек нового алюминиевого сплава на атомном уровне, ища ключ к его прочности, когда заметил, что атомы были расположены в крайне необычной схеме. «Вот тогда я и начал волноваться», — сказал Ямс, инженер-исследователь материалов, «потому что я подумал, что, возможно, смотрю на квазикристалл».

Он не только обнаружил квазикристаллы в этом алюминиевом сплаве, но и вместе с коллегами из Национального института стандартов и технологий (NIST) обнаружил, что эти квазикристаллы также делают его прочнее. Они опубликовали свои выводы в журнале Journal of Alloys and Compounds.

Сплав, сформированный в экстремальных условиях 3D-печати металла, позволяет создать новую категорию 3D-печатных деталей, таких как компоненты самолетов, теплообменники и шасси автомобилей. Понимание этого алюминия на атомном уровне позволит проводить исследования новых алюминиевых сплавов с использованием квазикристаллов для прочности.

Квазикристаллы похожи на обычные кристаллы, но имеют несколько ключевых отличий. Традиционный кристалл — это любое твердое тело, состоящее из атомов или молекул в повторяющихся узорах. Например, поваренная соль — это обычный кристалл. Атомы соли соединяются, образуя кубы, а эти микроскопические кубы соединяются, образуя более крупные кубы, которые достаточно велики, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом.

Существует всего 230 возможных способов для атомов образовывать повторяющиеся кристаллические узоры. Квазикристаллы не вписываются ни в один из них. Их уникальная форма позволяет им образовывать узор, который заполняет пространство, но никогда не повторяется.

Дэн Шехтман, ученый-материаловед из Техниона-Израильского технологического института, открыл квазикристаллы во время своего отпуска в NIST в 1980-х годах. Многие ученые в то время считали, что его исследование было ошибочным, поскольку новые формы кристаллов, которые он обнаружил, были невозможны в рамках обычных правил для кристаллов. Но с помощью тщательного исследования Шехтман доказал без сомнений, что этот новый тип кристаллов существует, произведя революцию в науке кристаллографии и получив Нобелевскую премию по химии в 2011 году.

Работая в том же здании, что и Шехтман, десятилетия спустя Эндрю Ямс обнаружил собственные квазикристаллы в алюминии, напечатанном на 3D-принтере.

Существует несколько различных способов 3D-печати металлов, но наиболее распространенный называется «сплавление в порошковой кровати». Он работает следующим образом: металлический порошок равномерно распределяется тонким слоем. Затем мощный лазер перемещается по порошку, расплавляя его. После того, как первый слой закончен, сверху наносится новый слой порошка, и процесс повторяется. По одному слою за раз лазер расплавляет порошок в твердую форму.

3D-печать создает формы, которые невозможно было бы создать любым другим методом. Например, в 2015 году GE разработала топливные форсунки для двигателей самолетов, которые можно было изготовить только с помощью 3D-печати по металлу. Новая форсунка стала огромным улучшением. Ее сложная форма вышла из принтера как одна легкая деталь. Напротив, предыдущую версию приходилось собирать из 20 отдельных частей, и она была на 25% тяжелее. На сегодняшний день GE напечатала десятки тысяч таких топливных форсунок, показав, что 3D-печать по металлу может быть коммерчески успешной.

Одним из ограничений 3D-печати металлами является то, что она работает только с несколькими металлами. «Высокопрочные алюминиевые сплавы практически невозможно печатать», — говорит физик из NIST Фань Чжан, соавтор статьи. «Они склонны к образованию трещин, что делает их непригодными для использования».

Обычный алюминий плавится при температуре около 700 градусов по Цельсию. Лазеры в 3D-принтере должны поднять температуру намного, намного выше: выше точки кипения металла, 2470 градусов по Цельсию. Это меняет многие свойства металла, особенно потому, что алюминий нагревается и остывает быстрее, чем другие металлы.

В 2017 году команда из HRL Laboratories, базирующейся в Калифорнии, и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре открыла высокопрочный алюминиевый сплав, который можно печатать на 3D-принтере. Они обнаружили, что добавление циркония к алюминиевому порошку предотвращает растрескивание деталей, напечатанных на 3D-принтере, что приводит к получению прочного сплава.

Исследователи NIST намеревались изучить этот новый, коммерчески доступный 3D-печатный алюминиево-циркониевый сплав на атомном уровне. «Чтобы доверять этому новому металлу в достаточной степени для использования в критически важных компонентах, таких как детали военных самолетов, нам необходимо глубокое понимание того, как атомы соединяются вместе», — сказал Чжан.

Команда NIST хотела узнать, что сделало этот металл таким прочным. Часть ответа, как оказалось, заключалась в квазикристаллах.

В металлах идеальные кристаллы слабы. Регулярные узоры идеальных кристаллов облегчают атомам проскальзывание друг мимо друга. Когда это происходит, металл изгибается, растягивается или ломается. Квазикристаллы нарушают регулярный узор кристаллов алюминия, вызывая дефекты, которые делают металл прочнее.

Когда Ямс посмотрел на кристаллы под прямым углом, он увидел, что они имеют пятикратную вращательную симметрию. Это означает, что существует пять способов повернуть кристалл вокруг оси так, чтобы он выглядел одинаково.

«Пятикратная симметрия встречается очень редко. Это был явный признак того, что у нас может быть квазикристалл», — сказал Ямс. «Но мы не могли полностью убедить себя, пока не провели верные измерения». Чтобы подтвердить, что у них был квазикристалл, Ямсу пришлось осторожно вращать кристалл под микроскопом и показать, что он также имеет тройную симметрию и двойную симметрию с двух разных углов.

«Теперь, когда у нас есть это открытие, я думаю, оно откроет новый подход к проектированию сплавов», — говорит Чжан. «Мы показали, что квазикристаллы могут сделать алюминий прочнее. Теперь люди могут попытаться намеренно создавать их в будущих сплавах».