匹兹堡大学利用透射电子显微镜研究激光熔融金属微结构

　　在美国国家科学基金会(NSF)的资助下，匹兹堡大学的研究人员利用劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)开发的独一无二的透射电子显微镜，实时检查金属和合金在被激光束熔化后的凝固过程中微观结构如何形成。研究人员将研究铝合金的快速凝固工艺，该工艺与激光或电子束加工技术相关联，被用于焊接、连接和增材制造。

　　研究人员的这一研究项目名称为——“在激光照射引起金属和合金发生不可逆变换的过程中，利用原位透射电子显微镜观察微观结构形成”，该项目获得了美国国家科学基金会材料研究部提供的3年共503435美元的资助。首席研究员为机械工程和材料学教授Jǒrg M.K. Wiezorek博士。该资助还被用于匹兹堡地区的教育宣传以及加强材料科学课程。

　　根据研究计划，Wiezorek博士和他的研究小组将利用劳伦斯利弗莫尔国家实验室的动态透射电子显微镜(DTEM)，该显微镜不同于传统电子显微镜那样获取前后对照的图像，它能够通过纳秒级的时间分辨率来记录材料的纳米尺度变换。

　　“预测工程材料在快速非平衡加工过程中的微观结构形成是材料科学的一项基本挑战。在使用DTEM之前我们只能在计算机上模拟这些变化，”Wiezorek博士解释。“我们希望通过直接和局部分辨观测，发现合金显微组织在激光熔化后的凝固过程中如何演变。热力学提供了材料转换的限制条件，但它不能预测从液态到最终固态的转变过程中微观结构的路径。”

　　Wiezorek博士希望该研究能帮助验证计算机模型，并确定结构如何变化以及温度梯度如何影响微观结构。该数据将为激光加工合金的加工条件、结构和性能之间建立关系提供更强大的科学基础。

　　“我们希望能解开从液态到最终固态结构的动力学途径的细节，”Wiezorek博士说。“这项研究将有助于我们完善与凝固相关的制造工艺，并制定战略来优化材料性能。”

　　Wiezorek博士的研究小组利用电子、离子、X-射线束和现代微观表征技术，使用并开发定量表征方法来研究先进材料与材料工艺。将实验和适当的计算机模拟同物理冶金和金属物理的原理和实践结合起来，进而发现新材料、材料的行为以及对其属性的解释，并强调金属间化合物和金属系统。最近的研究重点包括：

　　通过定量电子衍射和密度泛函理论计算的验证，对基于过渡金属的材料(包括金属间化合物)的电子密度和成键本质进行测定;

　　利用强塑性变形与晶界工程来对结构合金的表面进行改性以强化性能;

　　在使用超快(纳秒)TEM成像和衍射，在脉冲激光加工金属和合金过程中进行快速不可逆过程的原位研究，例如凝固。