匹茲堡大學(xué)利用透射電子顯微鏡研究激光熔融金屬微結(jié)構(gòu)

　　在美國國家科學(xué)基金會(huì)(NSF)的資助下，匹茲堡大學(xué)的研究人員利用勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)開發(fā)的獨(dú)一無二的透射電子顯微鏡，實(shí)時(shí)檢查金屬和合金在被激光束熔化后的凝固過程中微觀結(jié)構(gòu)如何形成。研究人員將研究鋁合金的快速凝固工藝，該工藝與激光或電子束加工技術(shù)相關(guān)聯(lián)，被用于焊接、連接和增材制造。

　　研究人員的這一研究項(xiàng)目名稱為——“在激光照射引起金屬和合金發(fā)生不可逆變換的過程中，利用原位透射電子顯微鏡觀察微觀結(jié)構(gòu)形成”，該項(xiàng)目獲得了美國國家科學(xué)基金會(huì)材料研究部提供的3年共503435美元的資助。首席研究員為機(jī)械工程和材料學(xué)教授Jǒrg M.K. Wiezorek博士。該資助還被用于匹茲堡地區(qū)的教育宣傳以及加強(qiáng)材料科學(xué)課程。

　　根據(jù)研究計(jì)劃，Wiezorek博士和他的研究小組將利用勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的動(dòng)態(tài)透射電子顯微鏡(DTEM)，該顯微鏡不同于傳統(tǒng)電子顯微鏡那樣獲取前后對照的圖像，它能夠通過納秒級的時(shí)間分辨率來記錄材料的納米尺度變換。

　　“預(yù)測工程材料在快速非平衡加工過程中的微觀結(jié)構(gòu)形成是材料科學(xué)的一項(xiàng)基本挑戰(zhàn)。在使用DTEM之前我們只能在計(jì)算機(jī)上模擬這些變化，”Wiezorek博士解釋。“我們希望通過直接和局部分辨觀測，發(fā)現(xiàn)合金顯微組織在激光熔化后的凝固過程中如何演變。熱力學(xué)提供了材料轉(zhuǎn)換的限制條件，但它不能預(yù)測從液態(tài)到最終固態(tài)的轉(zhuǎn)變過程中微觀結(jié)構(gòu)的路徑。”

　　Wiezorek博士希望該研究能幫助驗(yàn)證計(jì)算機(jī)模型，并確定結(jié)構(gòu)如何變化以及溫度梯度如何影響微觀結(jié)構(gòu)。該數(shù)據(jù)將為激光加工合金的加工條件、結(jié)構(gòu)和性能之間建立關(guān)系提供更強(qiáng)大的科學(xué)基礎(chǔ)。

　　“我們希望能解開從液態(tài)到最終固態(tài)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)途徑的細(xì)節(jié)，”Wiezorek博士說。“這項(xiàng)研究將有助于我們完善與凝固相關(guān)的制造工藝，并制定戰(zhàn)略來優(yōu)化材料性能。”

　　Wiezorek博士的研究小組利用電子、離子、X-射線束和現(xiàn)代微觀表征技術(shù)，使用并開發(fā)定量表征方法來研究先進(jìn)材料與材料工藝。將實(shí)驗(yàn)和適當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)模擬同物理冶金和金屬物理的原理和實(shí)踐結(jié)合起來，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)新材料、材料的行為以及對其屬性的解釋，并強(qiáng)調(diào)金屬間化合物和金屬系統(tǒng)。最近的研究重點(diǎn)包括：

　　通過定量電子衍射和密度泛函理論計(jì)算的驗(yàn)證，對基于過渡金屬的材料(包括金屬間化合物)的電子密度和成鍵本質(zhì)進(jìn)行測定;

　　利用強(qiáng)塑性變形與晶界工程來對結(jié)構(gòu)合金的表面進(jìn)行改性以強(qiáng)化性能;

　　在使用超快(納秒)TEM成像和衍射，在脈沖激光加工金屬和合金過程中進(jìn)行快速不可逆過程的原位研究，例如凝固。