Квазікристали у 3D-металі: як вони зміцнюють сплави?

Під час дослідження тонкого зрізу нового алюмінієвого сплаву під електронним мікроскопом, інженер-матеріалознавець Ендрю Ямс з Національного інституту стандартів і технологій США (NIST) помітив щось надзвичайно незвичне. На атомному рівні атоми були розташовані в дуже нерегулярному порядку — візерунку, який не відповідав типовій повторюваній структурі більшості кристалів. «Саме тоді я почав хвилюватися,» — згадує Ямс, — «бо подумав, що можу дивитися на квазікристал.» Його інтуїція не підвела. Ямс та його колеги з NIST підтвердили, що досліджуваний сплав містить квазікристали — рідкісні атомні структури, які, на відміну від звичайних кристалів, не мають періодичності у своєму візерунку. Ще більш дивовижним виявилося те, що ці квазікристали насправді підвищували міцність сплаву. Команда опублікувала свої висновки в авторитетному виданні Journal of Alloys and Compounds.

Цей унікальний сплав утворився під час процесу 3D-друку металом — технології виробництва, яка використовує потужні лазери для спікання металевого порошку шар за шаром, створюючи складні тривимірні об'єкти. Вивчення цього матеріалу на атомному рівні може призвести до появи нового класу 3D-друкованих компонентів, від деталей літаків та теплообмінників до автомобільних рам. Це також відкриває двері для розробки нових алюмінієвих сплавів, у які квазікристали будуть вводитися навмисно для досягнення підвищеної міцності.

Квазікристали подібні до звичайних кристалів, але мають кілька ключових відмінностей. Традиційний кристал — це будь-яке тверде тіло, що складається з атомів або молекул, розташованих у строго повторюваних візерунках. Звичайна кухонна сіль є поширеним прикладом кристала: її атоми утворюють мікроскопічні куби, які, з'єднуючись, формують більші кубічні кристали, видимі неозброєним оком. Класична кристалографія описує лише 230 можливих способів розташування атомів у таких повторюваних кристалічних структурах (просторових груп). Квазікристали не вписуються в жодну з них. Їхня унікальна атомна будова дозволяє їм заповнювати простір упорядковано, але візерунок при цьому ніколи точно не повторюється. Це схоже на мозаїку Пенроуза, яка може покрити площину без проміжків, але не має трансляційної симетрії.

Існування квазікристалів було вперше доведено Деном Шехтманом, матеріалознавцем з Техніону (Ізраїльського технологічного інституту), під час його стажування в NIST у 1980-х роках. Багато вчених того часу вважали його дослідження помилковим, оскільки знайдені ним нові кристалічні форми суперечили усталеним правилам кристалографії. Однак завдяки ретельним експериментам Шехтман беззаперечно довів існування цього нового типу кристалів, здійснивши революцію в науці про кристали та здобувши Нобелівську премію з хімії у 2011 році. Десятиліття потому, працюючи в тій самій будівлі, де колись працював Шехтман, Ендрю Ямс виявив свої квазікристали у 3D-друкованому алюмінії.

Існує кілька методів 3D-друку металами, але найпоширенішим є «лазерне плавлення у порошковому шарі» (laser powder bed fusion). Процес працює наступним чином: тонкий шар металевого порошку рівномірно розподіляється на платформі. Потім потужний лазер проходить над порошком за заданою траєкторією, розплавляючи та спікаючи частинки металу. Після завершення першого шару наноситься новий шар порошку, і процес повторюється. Шар за шаром лазер перетворює порошок на твердий об'єкт складної геометрії. Ця технологія дозволяє створювати форми, які були б неможливі або надзвичайно складні для виготовлення традиційними методами лиття чи механічної обробки. Наприклад, у 2015 році компанія GE розробила паливні форсунки для авіаційних двигунів, які можна було виготовити лише за допомогою 3D-друку металом. Нова форсунка стала величезним удосконаленням: її складна форма виходила з принтера як єдина цільна деталь, тоді як попередня версія складалася з 20 окремих частин і була на 25% важчою. На сьогодні GE надрукувала десятки тисяч таких форсунок, демонструючи комерційний успіх 3D-друку металами.

Однак одним із суттєвих обмежень технології є те, що вона добре працює лише з обмеженим набором металів та сплавів. «Високоміцні алюмінієві сплави майже неможливо друкувати,» — каже фізик NIST Фан Чжан, співавтор статті. «Вони схильні до утворення тріщин під час швидкого нагрівання та охолодження в процесі друку, що робить їх непридатними для використання.» Звичайний алюміній плавиться при температурі близько 700°C. Лазери в 3D-принтері нагрівають метал до набагато вищих температур, що перевищують точку кипіння алюмінію (2470°C). Такі екстремальні температурні цикли сильно змінюють властивості металу, особливо враховуючи, що алюміній нагрівається та охолоджується швидше за багато інших металів.

У 2017 році команда з HRL Laboratories (Каліфорнія) та Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі виявила високоміцний алюмінієвий сплав, який вдалося успішно друкувати на 3D-принтері. Вони встановили, що додавання цирконію до алюмінієвого порошку запобігає утворенню тріщин у надрукованих деталях, дозволяючи отримати міцний сплав. Саме цей новий, комерційно доступний 3D-друкований сплав алюмінію-цирконію дослідники NIST вирішили вивчити на атомному рівні. «Щоб довіряти цьому новому металу настільки, щоб використовувати його в критично важливих компонентах, таких як деталі військових літаків, нам потрібне глибоке розуміння того, як атоми розташовані один відносно одного,» — пояснив Чжан. Команда NIST хотіла з'ясувати, що саме робить цей метал таким міцним. І частиною відповіді, як виявилося, були квазікристали.

У металах ідеально впорядковані кристали насправді є відносно слабкими. Регулярні, повторювані візерунки атомів в ідеальному кристалі полегшують їхнє ковзання один відносно одного вздовж певних площин під дією навантаження. Коли це відбувається, метал деформується — згинається, розтягується або ламається. Квазікристали, маючи неперіодичну структуру, порушують цей регулярний порядок в основній алюмінієвій матриці. Вони діють як перешкоди, створюючи дефекти в кристалічній ґратці, які ускладнюють рух дислокацій (лінійних дефектів, відповідальних за пластичну деформацію). Це робить метал значно міцнішим.

Коли Ямс розглядав кристали під певним кутом в електронному мікроскопі, він побачив, що вони мають п'ятикратну обертову симетрію. Це означає, що існує п'ять способів повернути кристал навколо осі так, щоб він виглядав однаково. «П'ятикратна симетрія дуже рідкісна для кристалів і заборонена в класичній кристалографії для періодичних структур. Це була характерна ознака того, що ми могли мати справу з квазікристалом,» — сказав Ямс. «Але ми не могли бути повністю впевнені, доки не провели точні вимірювання.» Щоб підтвердити наявність квазікристалу, Ямсу довелося ретельно обертати зразок під мікроскопом і показати, що він також демонструє трикратну та двократну симетрію при спостереженні під іншими кутами, що відповідає симетрії ікосаедра — двадцятигранної фігури, форму якої мали виявлені квазікристалічні частинки.

«Тепер, коли ми маємо це відкриття, я думаю, воно відкриє новий підхід до розробки сплавів,» — каже Чжан. «Ми показали, що квазікристали можуть зробити алюміній міцнішим. Тепер люди можуть спробувати створювати їх навмисно в майбутніх сплавах.» Це може призвести до появи нового покоління легких, але надзвичайно міцних матеріалів, створених за допомогою адитивних технологій, що матиме значний вплив на аерокосмічну, автомобільну та інші галузі промисловості.