[論文レビュー] A discrete dislocation dynamics study of precipitate bypass mechanisms in nickel-based superalloys

Sabyasachi Chatterjee, Yang Li+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 12, 2021

High Temperature Alloys and Creep参考文献 72被引用数 71

ひとこと要約

本研究では、ニッケル基スーパーライ合金における不斉欠陥の回避メカニズムを調査するために、離散的不純性動力学（DDD）シミュレーションを用い、一般化された格子対称性エネルギーの力の計算に、複素解析における巻き数の概念を応用した新規手法を導入した。本研究では、広範な沈澱相体積分率および半径の範囲でハイブリッドせん断-ループ機構が作用することを示し、強度に顕著な影響を与えることを明らかにした。また、格子不整合度が回避応力の増加を引き起こし、高不整合度では高温クリープと同様にピン留め支配の回避挙動を示すことが示された。

ABSTRACT

Order strengthening in nickel-based superalloys is associated with the extra stress required for dislocations to bypass the $\gamma'$ precipitates distributed in the $\gamma$ matrix. A rich variety of bypass mechanism has been identified, with various shearing and Orowan looping processes giving way to climb bypass as the operating conditions change from the low/intermediate temperatures and high stress regime, to the high temperature and low stress regime. When anti phase boundary (APB) shearing and Orowan looping mechanisms operate, the bypass mechanism changes from shearing to looping with increased particle size and within a broad coexistence size window. Another possibility, supported by indirect experimental evidence, is that a third "hybrid" transition mechanism may operate. In this paper we use discrete dislocation dynamics (DDD) simulations to study dislocation bypass mechanisms in Ni-based superalloys. We develop a new method to compute generalized stacking fault forces in DDD simulations. We use this method to study the mechanisms of bypass of a square lattice of spherical $\gamma'$ precipitates by $a/2\langle110 angle\{111\}$ edge dislocations, as a function of the precipitates volume fraction and size. We show that the hybrid mechanism is possible and it operates as a transition mechanism between the shearing and looping regimes over a large range of precipitates volume fraction and radii. We also consider the effects of a $\gamma/\gamma'$ lattice misfit on the bypass mechanisms, which we approximate by an additional precipitate stress computed according to Eshelby's inclusion theory. We show that in the shearing and hybrid looping-shearing regimes, a lattice misfit generally results in an increased bypass stress. For sufficiently high lattice misfit, the bypass stress is controlled by the pinning of the trailing dislocation on the exit side of the precipitates.

研究の動機と目的

• ニッケル基スーパーライ合金におけるγ'沈澱相を不純性が回避するメカニズムを、微細組織的および荷重条件を変化させた条件下で調査すること。
• 複素解析における巻き数の概念を用いて、一般化された格子対称性エネルギーの力の計算に新たなDDD手法を開発・適用すること。
• ハイブリッドせん断-ループ回避メカニズムが作用する条件を特定し、材料の強度に与える寄与度を定量化すること。
• Eshelbyの包含理論を用いて、γ/γ'格子不整合度が回避応力に与える影響を検討すること。
• シミュレーション結果に基づき、ハイブリッド回避メカニズムの強度寄与度を単純化したモデルとして提案すること。

提案手法

• a/2⟨110⟩{111}のエッジ不純性が正方格子配列の球状γ'沈澱相を回避する過程を、離散的不純性動力学（DDD）フレームワークを用いてシミュレートした。
• 閉曲線が点の周りに何周するかを示す巻き数の概念を用いて、一般化された格子対称性エネルギーの力の計算に新たな手法を開発し、格子対称性エネルギーのエネルギーレベルを正確に表現できるようにした。
• γ相およびγ'相の格子対称性エネルギー（SFE）表面は、波数成分と実験的・原子論的データを用いてフィッティングし、SFEの正確な記述を確保した。
• 格子不整合度はEshelbyの包含理論を用いてモデル化され、自己ひずみから生じる追加の応力場を計算することで、γ/γ'不整合の影響を再現した。
• 不純性の運動とシミュレーション中の応力低下を追跡することで、臨界回避構成を同定した。回避応力は、回避に伴う応力低下が生じる直前のピーク応力として定義された。
• シミュレーションデータと幾何的制約に基づき、ハイブリッドメカニズムの強度寄与度を単純化した解析的モデルを提案した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ニッケル基スーパーライ合金において、沈澱相のサイズおよび体積分率を変化させた条件下で、純粋なせん断とOrowanループの間のハイブリッド不純性回避メカニズムが存在するか？
• RQ2 新しく開発された巻き数に基づく一般化された格子対称性エネルギーの力の計算手法が、DDDシミュレーションにおける回避メカニズムの捉え込み精度をどのように向上させるか？
• RQ3 異なる沈澱相のサイズおよび体積分率において、ハイブリッドメカニズムの回避応力に与える定量的寄与度は何か？
• RQ4 γ/γ'格子不整合度は回避応力にどのように影響し、また主要な回避メカニズムや臨界構成を変化させるか？
• RQ5 シミュレーションデータに基づき、ハイブリッド回避メカニズムの強度寄与度を予測可能な単純な解析的モデルを導出できるか？

主な発見

• ハイブリッドせん断-ループメカニズムは、単なる可能なものではなく、広範な沈澱相体積分率および半径の範囲で支配的遷移メカニズムとして作用しており、古典的な二領域モデルに挑戦するものである。
• 不純性ペアの場合、先行不純性のループが引き起こす反発的相互作用により、追従不純性のループの閉じが妨げられ、BKSモデルが予測する値を上回る回避応力が観察された。
• 格子不整合度が増加するにつれ回避応力も増加し、不整合度が十分に高い場合には、臨界構成が沈澱相の出口側における追従不純性のピン留め支配のものにシフトすることが分かった。
• シミュレーション結果から、ハイブリッドメカニズムは特にせん断とループの遷移領域で強度に顕著な寄与を示していることが明らかになった。
• 提案されたハイブリッドメカニズムの強度寄与度を単純化したモデルは、シミュレーションデータにより妥当性が確認され、微細組織設計のための予測フレームワークを提供する。
• 本研究では、格子不整合度が回避メカニズムを劇的に変化させ、高不整合度ではせん断/ループからピン留め支配の挙動にシフトすることが確認された。これは高温クリープ観察結果とも一致する。