[論文レビュー] Complex Strengthening Mechanisms in the NbMoTaW Multi-Principal Element Alloy

Xiangguo Li, Chi Chen+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2019

High Entropy Alloys Studies参考文献 81被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、機械学習原子間ポテンシャルを用いて、NbMoTaW多要素合金における複雑な強化機構が、Grain boundaryへのNbのセグリゲーション、強化された短距離秩序、および不等方性の低減という相乗効果に起因することを明らかにした。界面組成と体積内短距離秩序の両方が顕著に強度を向上させ、MPEAsの最適化には微細構造的および電子的レベルの両方の調整が不可欠であることを示している。

ABSTRACT

Refractory multi-principal element alloys (MPEAs) have exceptional mechanical properties, including high strength-to-weight ratio and fracture toughness, at high temperatures. Here, we elucidate the complex interplay between segregation, short range order and strengthening in the NbMoTaW MPEA through atomistic simulations with a highly accurate machine learning interatomic potential. In the single crystal MPEA, we find greatly reduced anisotropy in the critically resolved shear stress between screw and edge dislocations compared to the elemental metals. In the polycrystalline MPEA, we demonstrate that thermodynamically-driven Nb segregation to the grain boundaries (GBs) and W enrichment within the grains intensifies the observed short range order (SRO). The increased GB stability due to Nb enrichment reduces the von Mises strain, resulting in higher strength than a random solid-solution MPEA. These results highlight the need to simultaneously tune GB composition and bulk SRO to tailor the mechanical properties of MPEAs.

研究の動機と目的

• 極限条件下における難接着性NbMoTaW多要素合金(MPEAs)の基本的強化機構を理解すること。
• MPEAsにおける界面セグリゲーション、短距離秩序(SRO)、および不純物欠陥のダイナミクスの相乗的相互作用を調査すること。
• 大規模な原子論的シミュレーションを可能にするため、四元系NbMoTaW系に高精度な機械学習原子間ポテンシャル(ML-IAP)を開発すること。
• 熱力学的に駆動されるNbの界面へのセグリゲーションおよび格子内におけるWの増加が機械的性質に与える影響を特定すること。
• 界面組成と体積内SROの両方を同時に調整することが、MPEAsの強度を最大化するために不可欠であることを実証すること。

提案手法

• Nb, Mo, Ta, WのDFTデータを用いて、スペクトル近接分析ポテンシャル(SNAP)の機械学習原子間ポテンシャルを訓練し、最適化されたカットオフ半径を4.5–4.7 Åに設定した。
• ML-IAPのエネルギーおよび力の予測精度を検証し、体積内および欠陥構造においてDFTに匹敵する精度を達成した。
• 剛体境界条件を用いた分子動力学シミュレーションにより、9 nmの円柱型スーパーセルで不純物欠陥の性質を調査し、スクレーブおよびエッジ不純物欠陥の臨界応力（ペイエルズ応力）を測定した。
• ボロノイタイルレーションを用いて多結晶微細構造を生成し、11×11×11 nmのスーパーセル（平均結晶粒径約7.5 nm、6つの界面を有する）を構築した。
• 300 Kでのハイブリッドモンテカルロ/分子動力学(MC/MD)シミュレーションを用い、1.5 ns間にわたり界面セグリゲーションおよびSROの進化をモデル化した。
• 常温でのNPTアンサンブルを用いた一軸圧縮シミュレーション（ひずみ速度5×10⁸ s⁻¹）により、応力-ひずみ応答を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NbMoTaW MPEAにおけるスクレーブおよびエッジ不純物欠陥の臨界応力は、純金属の体心立方構造金属と比較してどの程度高いか？
• RQ2 Nbの界面へのセグリゲーションがMPEAの安定性および機械的応答に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ3 界面セグリゲーションがMPEAの体積内における短距離秩序(SRO)に与える影響は何か？
• RQ4 格子内におけるWの増加がSROの調節および強化機構に果たす役割は何か？
• RQ5 界面組成と体積内SROの併存効果を活用することで、ランダム固溶体挙動を上回るMPEAの強度向上が可能か？

主な発見

• NbMoTaW MPEAにおけるスクレーブおよびエッジ不純物欠陥のペイエルズ応力は、すべての構成元素金属よりも顕著に高く、強力な内在的強化を示している。
• エッジ不純物欠陥は、臨界応力の不等方性が低減されているため、純金属の体心立方構造金属と比較してMPEAにおいてはより顕著な強化寄与を示している。
• Nbは熱力学的に界面にセグリゲートし、界面安定性を向上させるとともに、ボン・ミーゼスひずみを低減させ、全体の強度向上に寄与している。
• 格子内におけるWの増加は、観察された短距離秩序(SRO)を強化し、全体の強化効果に寄与している。
• 界面におけるNbのセグリゲーションと体積内におけるSROの強化が併存することで、ランダム固溶体モデルの予測を上回る高い強度が得られている。
• 本研究では、MPEAsにおける最適な機械的性質を達成するには、界面組成と体積内短距離秩序の両方を同時に調整する必要があることを示した。