[論文レビュー] Kinetic Monte Carlo simulations of vacancy diffusion in non-dilute Ni-X (X=Re,W,Ta) alloys

Maximilian Grabowski, Jutta Rogal+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2018

High Temperature Alloys and Creep被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、密度汎関数理論（DFT）と運動論的モンテカルロ（KMC）シミュレーションを組み合わせ、10 at.%までの不揮発性溶質濃度における非希薄Ni-Re、Ni-W、Ni-Ta合金における空孔拡散を調査した。空孔の移動度は、主に溶質が引き起こす格子拡散障壁の変化によって支配されており、溶質の固有の拡散障壁によるものではないことが示された。これは、WがReよりも速やかに拡散するにもかかわらず、Ni-WではNi-Reよりも顕著な遅延が生じることを示しており、超合金におけるRe効果を説明するのには空孔移動度のみが関係するという仮定に反する。

ABSTRACT

The mobility of vacancies in alloys may limit dislocation climb. Using a combined density functional theory and kinetic Monte Carlo approach we investigate vacancy diffusion in Ni-Re, Ni-W, and Ni-Ta binary alloys up to 10 at.% solute concentration. We introduce an interaction model that takes into account the chemical environment close to the diffusing atom to capture the effect of solute-host and solute-solute interactions on the diffusion barriers. In contrast to an ideal solid solution it is not only the diffusion barrier of the solute atom that influences the vacancy mobility, but primarily the change in the host diffusion barriers due to the presence of solute atoms. This is evidenced by the fact that the observed vacancy slowdown as a function of solute concentration is larger in Ni-W than in Ni-Re, even though Re is a slower diffuser than W. To model diffusion in complex, non-dilute alloys an explicit treatment of interaction energies is thus unavoidable. In the context of Ni-based superalloys two conclusions can be drawn from our kinetic Monte Carlo simulations: the observed slowdown in vacancy mobility is not sufficient to be the sole cause for the so-called Re-effect; and assuming a direct correlation between vacancy mobility, dislocation climb, and creep strength the experimentally observed similar effect of W and Re in enhancing creep strength can be confirmed.

研究の動機と目的

• 実際のγ相微細組織に相当する溶質濃度（最大10 at.%）における非希薄Niベース超合金における空孔拡散を理解すること。
• ReがNiベース超合金のクリープ強度を向上させるメカニズムとして、空孔移動度の低下が十分に説明可能かどうかを調査すること。
• 空孔移動度を制御する要因として、溶質の拡散障壁と、溶質が格子の拡散障壁に与える影響の相対的な寄与を特定すること。
• KMCシミュレーションにおいて、溶質-溶質、溶質-格子、溶質-空孔間の相互作用を明示的に取り入れた相互作用モデルの構築と適用。
• WがReと同様にクリープ強度を向上させるメカニズムが、空孔移動度の抑制に起因するかどうかを評価すること。

提案手法

• Ni-X（X=Re, W, Ta）系における原子移動障壁および相互作用エネルギーを計算するために、密度汎関数理論（DFT）を用いた。
• 局所的な溶質協調子の状態が空孔ジャンプ周波数に与える影響を考慮した、化学的環境依存の相互作用モデルを構築した。
• DFTから得られたジャンプ周波数および相互作用パラメータを用いて、非希薄合金における空孔拡散をモデル化するための運動論的モンテカルロ（KMC）シミュレーションを実施した。
• 理想固体溶液近似の限界を避けるために、KMCモデルで溶質-溶質および溶質-格子相互作用を明示的に取り入れた。
• KMC軌道から得られた熱力学的要因行列および輸送係数を用いて、拡散行列を計算し、マクロな拡散特性を算出した。
• 理想溶液に対する解析的式との整合性を確認し、非理想かつ非希薄な状態では数値アンサンブル平均を用いてモデルを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非希薄Niベース超合金における空孔移動度は、溶質の固有の拡散障壁ではなく、溶質が引き起こす格子拡散障壁の変化にどれほど依存しているか？
• RQ2 WがReよりも速やかに拡散するにもかかわらず、なぜNi-Wにおける空孔の遅延はNi-Reよりも顕著なのか？
• RQ3 γ相における局所的な溶質濃度を考慮した場合、ReおよびWによる観察されるクリープ強度の向上が、空孔移動度の抑制のみによって説明可能か？
• RQ4 Re効果を説明するのに必要な空孔移動度の低下を達成するには、どの程度の溶質濃度が必要であり、それが現実の微細組織で達成可能か？
• RQ5 溶質-溶質および溶質-格子相互作用は、非希薄合金における有効拡散障壁にどのように影響を与えるのか？なぜそれらの明示的取り扱いが不可欠なのか？

主な発見

• Wの固有拡散障壁がReよりも低いにもかかわらず、同等の溶質濃度下でNi-Wにおける空孔の遅延はNi-Reよりも顕著に強い。
• 空孔移動度を制御する主な要因は、溶質の固有の拡散障壁ではなく、溶質原子が引き起こす格子拡散障壁の変化である。
• Re効果を説明するために必要な75%の空孔移動度低下を達成するには、局所的なRe濃度が20 at.%を超える必要があり、これは不純物やγ/γ′界面付近で達成可能である可能性がある。
• 10 at.%のRe濃度下で、シミュレーションによる空孔移動度の低下は約50%にとどまり、実験的に観察されたRe効果を完全に説明するには不十分である。
• WとReが同様のクリープ強度向上を示す理由は、溶質が格子障壁に与える影響によって引き起こされる空孔移動度の同程度の抑制に起因する。
• 非希薄合金における拡散の正確な予測には、溶質-溶質、溶質-格子、溶質-空孔間の相互作用エネルギーを明示的にモデル化することが不可欠であり、理想固体溶液モデルではこの領域では失敗する。