匹茲堡大學利用透射電子顯微鏡研究激光熔融金屬微結構

　　在美國國家科學基金會(NSF)的資助下，匹茲堡大學的研究人員利用勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)開發的獨一無二的透射電子顯微鏡，實時檢查金屬和合金在被激光束熔化后的凝固過程中微觀結構如何形成。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相關聯，被用于焊接、連接和增材制造。

　　研究人員的這一研究項目名稱為——“在激光照射引起金屬和合金發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構形成”，該項目獲得了美國國家科學基金會材料研究部提供的3年共503435美元的資助。首席研究員為機械工程和材料學教授Jǒrg M.K. Wiezorek博士。該資助還被用于匹茲堡地區的教育宣傳以及加強材料科學課程。

　　根據研究計劃，Wiezorek博士和他的研究小組將利用勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的動態透射電子顯微鏡(DTEM)，該顯微鏡不同于傳統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間分辨率來記錄材料的納米尺度變換。

　　“預測工程材料在快速非平衡加工過程中的微觀結構形成是材料科學的一項基本挑戰。在使用DTEM之前我們只能在計算機上模擬這些變化，”Wiezorek博士解釋。“我們希望通過直接和局部分辨觀測，發現合金顯微組織在激光熔化后的凝固過程中如何演變。熱力學提供了材料轉換的限制條件，但它不能預測從液態到最終固態的轉變過程中微觀結構的路徑。”

　　Wiezorek博士希望該研究能幫助驗證計算機模型，并確定結構如何變化以及溫度梯度如何影響微觀結構。該數據將為激光加工合金的加工條件、結構和性能之間建立關系提供更強大的科學基礎。

　　“我們希望能解開從液態到最終固態結構的動力學途徑的細節，”Wiezorek博士說。“這項研究將有助于我們完善與凝固相關的制造工藝，并制定戰略來優化材料性能。”

　　Wiezorek博士的研究小組利用電子、離子、X-射線束和現代微觀表征技術，使用并開發定量表征方法來研究先進材料與材料工藝。將實驗和適當的計算機模擬同物理冶金和金屬物理的原理和實踐結合起來，進而發現新材料、材料的行為以及對其屬性的解釋，并強調金屬間化合物和金屬系統。最近的研究重點包括：

　　通過定量電子衍射和密度泛函理論計算的驗證，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進行測定;

　　利用強塑性變形與晶界工程來對結構合金的表面進行改性以強化性能;

　　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行快速不可逆過程的原位研究，例如凝固。