[論文レビュー] Screening of generalized stacking fault energies, surface energies and intrinsic ductile potency of refractory multicomponent alloys

Yong‐Jie Hu, Aditya Sundar+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2020

High Entropy Alloys Studies参考文献 79被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、第一原理DFTデータと特殊準ランダム構造（SQS）を用いて、耐火性体心立方多成分合金における不安定な積層欠陥エネルギー（γusf）および表面エネルギー（γsurf）を予測する物理的制約付きサーモンモデルを開発した。モデルは二元および三元系で学習され、112,378の四元系組成においてこれらの性質を正確に予測し、強度を損なわずに優れた内因性延性を示すReおよびRu含有合金を同定した。

ABSTRACT

Body-centered cubic (bcc) refractory multicomponent alloys are of great interest due to their remarkable strength at high temperatures. Meanwhile, further optimizing the chemical compositions of these alloys to achieve a combination of high strength and room-temperature ductility remains challenging, which would require systematic predictions of the correlated alloy properties across a vast compositional space. In the present work, we performed first-principles calculations with the special quasi-random structure (SQS) method to predict the unstable stacking fault energy ($γ_{usf}$) of the $(1\bar10)[111]$ slip system and the $(1\bar10)$-plane surface energy ($γ_{surf}$) for 106 individual binary, ternary and quaternary bcc solid-solution alloys with constituent elements among Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Re and Ru. Moreover, with the first-principles data and a set of physics-informed descriptors, we developed surrogate models based on statistical regression to accurately and efficiently predict $γ_{usf}$ and $γ_{surf}$ for refractory multicomponent alloys in the 10-element compositional space. Building upon binary and ternary data, the surrogate models show outstanding predictive ability in the high-order multicomponent systems. The ratio between $γ_{surf}$ and $γ_{usf}$ is a parameter to reflect the potency of intrinsic ductility of an alloy based on the Rice model of crack-tip deformation. Therefore, using the surrogate models, we performed a systematic screening of $γ_{usf}$, $γ_{surf}$ and their ratio over 112,378 alloy compositions to search for alloy candidates that may have enhanced strength-ductile synergies. Search results were also confirmed by additional first-principles calculations.

研究の動機と目的

• 広大な組成空間において耐火性多成分体心立方合金の内因性延性および機械的安定性を体系的に予測すること。
• 高次多成分系において第一原理DFT計算の計算コストを克服するため、効率的なサーモンモデルを開発すること。
• 強度-延性の両立性を向上させるために最適化されたγusfおよびγsurf比（Dパラメータ）を有する合金組成を同定すること。
• 追加のDFT計算を用いた予測の妥当性を検証し、今後の合金設計に向けた信頼性の高いスクリーニング基準を確立すること。

提案手法

• Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W、Re、Ruからなる106の二元、三元、四元体心立方合金について、特殊準ランダム構造（SQS）法を用いた第一原理DFT計算によりγusfおよびγsurfを計算した。
• dバンド充填度、結合特性、電子構造特徴を組み込んだ物理的制約付き記述子のセットを構築し、回帰精度を向上させた。
• 二元および三元系データにのみ特化して訓練された統計的回帰ベースのサーモンモデルを用い、四元系以上におけるγusfおよびγsurfを予測した。
• Dパラメータ（γsurf/γusf）は予測されたγusfおよびγsurf値から導出され、Riceモデルに基づく内因性延性の指標として機能した。
• サーモンモデルを用いて112,378の四元系組成を体系的にスクリーニングし、高ポテンシャルな候補を同定した。
• モデルの信頼性と予測精度を確認するため、31の選択された組成について追加のDFT検証を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二元および三元体心立方耐火合金で学習されたサーモンモデルは、複雑な四元系においてγusfおよびγsurfを正確に予測できるか？
• RQ2 dバンド充填度および化学結合特徴は、多成分体心立方合金におけるγusfおよびγsurfにどのように影響を与えるか？
• RQ3 どの合金組成が、強度を損なわず高い内因性延性を示す可能性を示す高Dパラメータ（γsurf/γusf）を示すか？
• RQ4 サーモンモデルは、訓練データおよび新しい元素を含む新規組成へと信頼性高く外挿できるか？

主な発見

• サーモンモデルは、γusfに対して0.058 J/m²、γsurfに対して0.044 J/m²の平均二乗誤差（RMSE）を達成し、高い精度を示した。
• γusfおよびγsurfの予測値から間接的に導出されたDパラメータ（γsurf/γusf）についても、DFT結果と良好な一致を示した。
• ReおよびRuはDパラメータを顕著に向上させ、多成分体心立方合金における内因性延性の潜在的向上を示した。
• スクリーニングにより、多数の四元系組成が高Dパラメータ値を示し、現在の等モル量高エントロピー合金を上回る強度-延性の両立の余地が広がっていることを示唆した。
• 追加のDFT検証により、スクリーニング結果の信頼性が確認され、モデル予測と第一原理計算との間に強い一致が得られた。
• 本研究は、物理的制約付きサーモンモデル手法が、複雑な耐火性多成分合金における機械的特性の効率的で正確かつ外挿可能なスクリーニングを可能にすることを示した。