為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)正在努力創(chuàng)造更輕、更強(qiáng)、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(shù)的幫助下，他們正在發(fā)現(xiàn)合金在多個(gè)尺度上性能的秘密，為創(chuàng)新應(yīng)用開(kāi)辟了新的機(jī)會(huì)。

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(shí)代，古人在銅中添加錫來(lái)制造工具和武器。后來(lái)，古羅馬人和古代中國(guó)人把錫和水銀混合起來(lái)制造鏡子和盔甲。

如今，科學(xué)家可以在原子級(jí)別上研究合金，從而更深入地了解其物理特性以及它們?cè)诂F(xiàn)實(shí)條件下的表現(xiàn)。通過(guò)在多個(gè)尺度上觀察合金的結(jié)構(gòu)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。

英國(guó)亨利·羅伊斯先進(jìn)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(lái)探索金屬和合金的研究機(jī)構(gòu)，該研究所的研究人員正在開(kāi)發(fā)用于交通運(yùn)輸、航空航天、核能和醫(yī)療保健領(lǐng)域的高性能金屬。通過(guò)研究形成不同合金的元素之間的關(guān)系，研究人員可以更好地了解合金分解的原因。同時(shí)又推動(dòng)了新型、高度靈活性合金的設(shè)計(jì)，這些合金對(duì)環(huán)境的影響較小，并可以用較低的成本開(kāi)發(fā)。

為了評(píng)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(guān)顯微鏡技術(shù)對(duì)合金進(jìn)行三維表征，這些技術(shù)使他們能夠檢測(cè)合金至納米級(jí)別?？茖W(xué)家們利用相關(guān)的工作流程來(lái)協(xié)調(diào)他們的研究，在顯微鏡之間無(wú)縫傳遞樣品，使他們能夠使用不同的分辨率和視角來(lái)研究合金的性能。

以航空發(fā)動(dòng)機(jī)增材制造的 Inconel 718 測(cè)試部件為例，研究人員可能希望使用 3D 微 X 射線計(jì)算機(jī)斷層掃描來(lái)檢查大型缺陷、裂縫和部件缺陷，以無(wú)損方式來(lái)檢查其形態(tài)并確定進(jìn)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(jié)構(gòu)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(cè)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(guān)成像技術(shù)，研究人員正在為制造未來(lái)的合金實(shí)現(xiàn)必要的微小改進(jìn)。

圖像顯示了應(yīng)用于 IN718 增材制造樣品的相關(guān)顯微鏡和斷層掃描技術(shù)的結(jié)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(kāi)放裂紋，分段和可視化。

亨利·羅伊斯研究所首席科學(xué)家、皇家教授菲利普·威瑟斯 (Philip Withers) 解釋說(shuō)：“我感興趣的是東西為何會(huì)斷裂？” 利用多尺度成像技術(shù)，科學(xué)家們可以在微觀層面上檢查故障，并了解它們?nèi)绾螌?dǎo)致更大的缺陷，最終導(dǎo)致故障。“如果你想了解從原子級(jí)別的缺陷到最后災(zāi)難性失敗的過(guò)程，你需要將很多幅不同的眼鏡連起來(lái)看。” 他說(shuō)。

亨利·羅伊斯研究所和全球其他機(jī)構(gòu)的科學(xué)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(jí)合金正在被改進(jìn)，以開(kāi)發(fā)更耐熱的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)部件。人們正在開(kāi)發(fā)輕質(zhì)鎂合金，以制造更省油的汽車；鈦合金也被用于設(shè)計(jì)更堅(jiān)固、更耐腐蝕的醫(yī)療植入材料。