從橋梁和摩天大樓到發(fā)動機和工具，再到汽車和飛機，金屬材料是經(jīng)濟繁榮的支柱。事實上，隨著全球人口的增長和經(jīng)濟的發(fā)展，我們對鋁、銅、鉛、鋰、鈦和其他金屬的需求也在持續(xù)增加。
隨著世界經(jīng)濟的活躍，需要更高性能的合金來推進工業(yè)生產(chǎn)，更省油的汽車也需要輕質合金材料，更牢固的內(nèi)部結構需要耐用、無腐蝕性的合金。人們正在尋找新的合金來開發(fā)能夠承受極端天氣的導彈、衛(wèi)星和軍艦。
發(fā)現(xiàn)金屬性能的秘密
為了實現(xiàn)這些目標，研究機構和企業(yè)正在努力創(chuàng)造更輕、更強、更耐用、更耐腐蝕的合金。在掃描和透射電子顯微鏡以及其他多模態(tài)數(shù)據(jù)采集技術的幫助下，他們正在發(fā)現(xiàn)合金在多個尺度上性能的秘密，為創(chuàng)新應用開辟了新的機會。
縱觀歷史，人類很早就知道在金屬中添加少量其他元素形成合金可以極大地改變其性能。例如，在青銅器時代，古人在銅中添加錫來制造工具和武器。后來，古羅馬人和古代中國人把錫和水銀混合起來制造鏡子和盔甲。
如今，科學家可以在原子級別上研究合金，從而更深入地了解其物理特性以及它們在現(xiàn)實條件下的表現(xiàn)。通過在多個尺度上觀察合金的結構和成分，研究人員可以在它們活躍的區(qū)域環(huán)境中發(fā)現(xiàn)微小的缺陷。
為各種應用設計更好的合金
英國亨利·羅伊斯先進材料研究所是一家使用電子和聚焦等離子體離子束顯微鏡和飛秒激光來探索金屬和合金的研究機構，該研究所的研究人員正在開發(fā)用于交通運輸、航空航天、核能和醫(yī)療保健領域的高性能金屬。通過研究形成不同合金的元素之間的關系，研究人員可以更好地了解合金分解的原因。同時又推動了新型、高度靈活性合金的設計，這些合金對環(huán)境的影響較小，并可以用較低的成本開發(fā)。
為了評估合金的性能，亨利·羅伊斯研究所的研究人員正在使用一系列電子和 X 射線顯微鏡以及相關顯微鏡技術對合金進行三維表征，這些技術使他們能夠檢測合金至納米級別?？茖W家們利用相關的工作流程來協(xié)調(diào)他們的研究，在顯微鏡之間無縫傳遞樣品，使他們能夠使用不同的分辨率和視角來研究合金的性能。
以航空發(fā)動機增材制造的 Inconel 718 測試部件為例，研究人員可能希望使用 3D 微 X 射線計算機斷層掃描來檢查大型缺陷、裂縫和部件缺陷，以無損方式來檢查其形態(tài)并確定進一步研究的位置使用 DualBeam 或 TriBeam 系統(tǒng)（FIB-SEM、PFIB-SEM、fs-Laser-PFIB-SEM），他們可以以更高的分辨率在 3D 環(huán)境下探索合金的微觀結構和成分。此外，在透射電子顯微鏡（TEM）的幫助下，他們可以在原子分辨率下檢測感興趣的微小區(qū)域，例如裂紋的尖端。研究人員還可以使用 Avizo 軟件等圖像處理軟件處理和可視化圖像。利用多尺度相關成像技術，研究人員正在為制造未來的合金實現(xiàn)必要的微小改進。
圖像顯示了應用于 IN718 增材制造樣品的相關顯微鏡和斷層掃描技術的結果。(a) X 射線顯微 CT 掃描后的可視化；(b) 高分辨率顯微 CT 掃描后的可視化；(c) 綜合多模態(tài)數(shù)據(jù)的可視化；d) 裂紋尖端的分段和可視化，包括 TEM 研究 (e) 和 (f) 三束連續(xù)掃描的材料體積，與大的開放裂紋，分段和可視化。
亨利·羅伊斯研究所首席科學家、皇家教授菲利普·威瑟斯 (Philip Withers) 解釋說：“我感興趣的是東西為何會斷裂？” 利用多尺度成像技術，科學家們可以在微觀層面上檢查故障，并了解它們?nèi)绾螌е赂蟮娜毕?，最終導致故障。“如果你想了解從原子級別的缺陷到最后災難性失敗的過程，你需要將很多幅不同的眼鏡連起來看。” 他說。
創(chuàng)造未來的合金
亨利·羅伊斯研究所和全球其他機構的科學家們已經(jīng)取得了重大突破。多虧了今天的研究人員，高熵合金正被用于建造更具抗損壞性的核電站。鎳基超級合金正在被改進，以開發(fā)更耐熱的噴氣發(fā)動機部件。人們正在開發(fā)輕質鎂合金，以制造更省油的汽車；鈦合金也被用于設計更堅固、更耐腐蝕的醫(yī)療植入材料。
羅伊斯研究所的成立是為了加速發(fā)明和采用新材料系統(tǒng)，以應對全球挑戰(zhàn)，提高工業(yè)生產(chǎn)力和競爭力，并改進我們的世界。
-----亨利·羅伊斯首席科學家
雷吉斯教授菲利普·威瑟斯
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