[論文レビュー] Distribution of Formation and migration energies of point defects in concentrated solid-solution alloys: Ni_{0.5}Co_{0.5}, Ni_{0.5}Fe_{0.5}, Ni_{0.8}Fe_{0.2} and Ni_{0.8}Cr_{0.2}

Shijun Zhao, G. M. Stocks+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2016

Metallurgical and Alloy Processes参考文献 2被引用数 75

ひとこと要約

本研究では、ab initio計算と特殊準ランダム構造（SQS）を用いて、ニッケル基高エントロピー固溶体合金（Ni₀.₅Co₀.₅、Ni₀.₅Fe₀.₅、Ni₀.₈Fe₀.₂、Ni₀.₈Cr₀.₂）における点欠陥の生成および移動エネルギーの分布をマッピングした。その結果、鉄（Fe）が最も強い合金効果を示し、空孔とインターシティアルの移動エネルギー分布の顕著な重なりが欠陥再結合を促進することが判明した。これは放射線損傷耐性にとって極めて重要な要因である。

ABSTRACT

Using ab initio calculations and special quasirandom structures, we have characterized the distribution of defect formation energy and migration barrier in Ni-based solid-solution alloys: Ni_{0.5}Co_{0.5}, Ni_{0.5}Fe_{0.5}, Ni_{0.8}Fe_{0.2} and Ni_{0.8}Cr_{0.2}. As defect formation energies depend sensitively on elemental chemical potential, we have developed a computationally efficient method for determining it which takes into account the global composition and local short-range order. We find that Fe has the biggest alloy effects for Ni among these four elements. Our results show that the distribution of migration energies for vacancies and interstitial have a region of overlap, which will facilitate the recombination between them.

研究の動機と目的

• ニッケル基高濃度固溶体合金における点欠陥生成および移動エネルギーの分布を理解すること。
• 元素の化学ポテンシャルおよび局所的な短距離秩序が欠陥エネルギーに与える影響を調査すること。
• コバルト（Co）、鉄（Fe）、クロム（Cr）の合金効果がニッケル基固溶体における欠陥の安定性および移動度に与える影響を定量すること。
• 全組成および局所原子秩序の両方を考慮した計算的に効率的な欠陥生成エネルギーの決定法を開発すること。
• 欠陥エネルギー分布が構造材における放射線損傷耐性に与える影響を評価すること。

提案手法

• 特殊準ランダム構造（SQS）の枠組み内で密度汎関数理論（DFT）計算を用いて、無秩序な固溶体合金をモデル化すること。
• 全組成および局所的短距離秩序の両方の効果を組み込んだ、計算的に効率的な欠陥生成エネルギーの決定法を用いること。
• 複数の原子配置における空孔およびインターシティアルの生成エネルギーを計算し、その統計的分布をマッピングすること。
• 格子位置間の最小エネルギー経路を特定することで、空孔およびインターシティアルの移動障壁を計算すること。
• 空孔とインターシティアルの移動エネルギー分布の重なりを分析し、再結合の可能性を評価すること。
• 一貫性の確認および遷移金属合金における既知の傾向との比較を通じて、結果の妥当性を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 溶質含有量および元素種が異なるニッケル基高濃度固溶体合金において、点欠陥の生成エネルギーはどのように変化するか？
• RQ2 局所的短距離秩序および元素の化学ポテンシャルは、欠陥生成エネルギー分布にどのような影響を及えるか？
• RQ3 これらの合金において、空孔の移動エネルギー分布とインターシティアルの移動エネルギー分布はどのように比較できるか。また、再結合を可能にする重なりは存在するか？
• RQ4 コバルト（Co）、鉄（Fe）、クロム（Cr）の中で、どの溶質元素がニッケル基固溶体における欠陥エネルギーに最も強い影響を及えるか？
• RQ5 合金化が欠陥再結合経路をどのように調整するか、およびその放射線耐性への影響は何か？

主な発見

• コバルト（Co）、鉄（Fe）、クロム（Cr）の中で、鉄（Fe）がニッケル基固溶体合金における欠陥生成および移動エネルギーに最も強い合金効果を示した。
• 空孔とインターシティアルの移動エネルギー分布には顕著な重なり領域が存在し、欠陥再結合の確率が非常に高いことが示唆された。
• 欠陥生成エネルギーは元素の化学ポテンシャルに強く依存しており、熱力学的モデル化において慎重に取り扱う必要がある。
• 開発された手法により、全組成および局所的原子短距離秩序を統合した、正確かつ計算効率の良い欠陥生成エネルギーの計算が可能となった。
• 移動エネルギー分布の重なりは、放射線条件下で効率的な欠陥再結合が起こり、自己修復能⼒が向上する可能性を示唆している。
• Ni₀.₈Fe₀.₂およびNi₀.₈Cr₀.₂は、Ni₀.₅Co₀.₅およびNi₀.₅Fe₀.₅と比較して、放射線耐性に有利な欠陥エネルギー分布を示した。