[논문 리뷰] Complex Strengthening Mechanisms in the NbMoTaW Multi-Principal Element Alloy

Xiangguo Li, Chi Chen외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 04.

High Entropy Alloys Studies참고 문헌 81인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 기계학습 상호작용 위치함수를 활용하여 NbMoTaW 다주성소합금에서 복잡한 강화 메커니즘이 Nb가 결정립경계에 분포함, 강화된 근접순서, 그리고 디스locations의 이방성 감소와 같은 상호보완적 효과에 기인함을 규명한다. 결정립경계 조성과 기질 내 근접순서의 병합된 영향은 강도를 크게 증가시키며, 이는 MPEA의 최적화를 위해 미세구조적 조절과 전자 수준의 조절이 모두 필수적임을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 극한 조건에서 난연성 NbMoTaW 다주성소합금(MPEAs)의 기본 강화 메커니즘을 이해하기 위해.
• MPEAs에서 결정립경계 분포, 근접순서(SRO), 디스locations 동역학 간의 상호작용을 조사하기 위해.
• 대규모 원자적 시뮬레이션을 가능하게 하기 위해 4원계 NbMoTaW 체계에 대해 매우 정확한 기계학습 상호작용 위치함수(ML-IAP)를 개발하기 위해.
• 열역학적으로 유도된 Nb의 결정립경계 분포와 기질 내 W 농도 증가가 기계적 성질에 미치는 영향를 규명하기 위해.
• 동시적으로 결정립경계 조성과 기질 내 SRO를 조절하는 것이 MPEA의 강도를 극대화하는 데 필수적임을 입증하기 위해.

제안 방법

• Nb, Mo, Ta, W에 대한 밀도함수이론(DFT) 데이터를 사용하여 스펙트럼 이웃 분석 위치함수(SNAP) 기계학습 상호작용 위치함수를 훈련하였으며, 최적화된 截斷 반경은 4.5–4.7 Å이었다.
• ML-IAP의 정확도를 에너지 및 힘 예측 측면에서 검증하였으며, 기질 및 결함 구조에서 DFT 수준의 정확도를 달성하였다.
• 고정 경계 조건을 적용한 9 nm 원통형 초세포에서 분자역학 시뮬레이션을 통해 디스locations 성질을 연구하였으며, 나사형 및 모서리 디스locations의 임계 분해 응력(페일레르스 응력)을 측정하였다.
• 비루온 세포 분할 기반으로 다결정 미세구조를 생성하여 약 7.5 nm 평균 결정립 크기를 갖는 11×11×11 nm 초세포를 구축하였다.
• 300 K에서 하이브리드 몬테카를로/분자역학(MC/MD) 시뮬레이션을 사용하여 1.5 ns 동안 결정립경계 분포 및 SRO의 진화를 모델링하였다.
• 실온에서 NPT 측정기구를 사용하여 5×10⁸ s⁻¹의 변형률 속도로 축방향 압축 하중 조건에서 응력-변형률 거동을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NbMoTaW MPEA에서 나사형 및 모서리 디스locations의 임계 분해 응력은 순수한 결정구조의 bcc 금속과 비교해 어떻게 다를까?
• RQ2 Nb가 결정립경계에 분포함으로써 MPEA의 안정성과 기계적 거동에 미치는 영향은 어느 정도일까?
• RQ3 결정립경계 분포가 MPEA 기질 내 근접순서(SRO)에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 기질 내 W 농도 증가가 SRO 조절 및 강화 메커니즘에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 결정립경계 조성과 기질 내 SRO의 병합된 효과를 활용하여 랜덤 고용체 모델 예측을 초월한 MPEA의 강도 향상을 이룰 수 있는가?

주요 결과

• NbMoTaW MPEA에서 나사형 및 모서리 디스locations의 페일레르스 응력은 구성 요소 금속 중 어느 하나보다도 현저히 높아, 강력한 내재적 강화를 나타낸다.
• 모서리 디스locations는 순수한 bcc 금속보다 MPEA에서 더 큰 기여를 하며, 임계 분해 응력의 이방성 감소 덕분이다.
• Nb는 열역학적으로 결정립경계로 분포하며, 이는 결정립경계 안정성을 증가시키고, 보이지 않는 응력( von Mises strain)을 감소시켜 전체 강도를 향상시킨다.
• 기질 내 W 농도 증가가 관측된 근접순서(SRO)를 강화시켜 전체 강화 효과에 기여한다.
• 결정립경계에서 Nb 분포와 기질 내 강화된 SRO의 조합은 무작위 고용체 모델 예측을 초월한 높은 강도를 유도한다.
• 본 연구는 MPEA의 최적 기계적 성질을 얻기 위해서는 동시적으로 결정립경계 조성과 기질 내 근접순서를 조절하는 것이 필수적임을 입증한다.