[논문 리뷰] Comprehensive ab initio study of effects of alloying elements on generalized stacking fault energies of Ni and Ni$_3$Al

Heyu Zhu, Jian-Tao Wang외 6명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 29.

High Temperature Alloys and Creep인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 Ni 및 Ni₃Al에서 일반화된 비틀림 결함 에너지(GSFEs)에 대한 30개 이상의 합금 원소의 영향을 체계적으로 조사하기 위해 ab initio 밀도함수이론을 활용한다. Re, W, Mo, Os, Ru, Ir는 GSFE를 크게 증가시켜 변형 저항성과 불확실한 디스locations 안정성 향상에 기여한다. 연구 결과는 차세대 Ni 기반 단일결정 초합금의 설계를 위한 예측 프레임워크를 수립한다.

ABSTRACT

Excellent high-temperature mechanical properties of Ni-based single crystal superalloys (NSCSs) are attributed to the yield strength anomaly of Ni$_{3}$Al that is intimately related to generalized stacking fault energies (GSFEs). Therefore, clarifying the effects of alloying elements on the GSFEs is of great significance for alloys design. Here, by means of ab initio density functional theory calculations, we systematically calculated the GSFEs of different slip systems of Ni and Ni$_{3}$Al without and with alloying elements using the alias shear method. We obtained that for Ni, except for magnetic elements Mn, Fe, and Co, most of alloying elements decrease the unstable stacking fault energy ($γ_{usf}$) of the $[01\bar{1}](111)$ and $[11\bar{2}](111)$ slip systems and also decrease the stable stacking fault energy ($γ_{sf}$) of the $[11\bar{2}](111)$ slip system. For Ni$_{3}$Al, most of alloying elements in groups IIIB-VIIB show a strong Al site preference. Except for Mn and Fe, the elements in groups VB-VIIB and the first column of group VIII increase the values of $γ_{usf}$ of different slip systems of Ni$_{3}$Al. On the other hand, the elements in groups IIIB-VIIB also increase the value of $γ_{sf}$. We found that Re is an excellent strengthening alloying element that significantly increases the slip barrier of the tailing slip process for Ni, and also enhances the slip barrier of the leading slip process of three slip systems for Ni$_{3}$Al. W and Mo exhibit similar effects as Re. We predicted that Os, Ru, and Ir are good strengthening alloying elements as well, since they show the strengthening effects on both the leading and tailing slip process for Ni and Ni$_{3}$Al.

연구 동기 및 목표

• Ni 및 Ni₃Al에서 합금 원소가 일반화된 비틀림 결함 에너지(GSFEs)에 미치는 영향을 이해함으로써, Ni 기반 초합금의 고온에서의 강도에 핵심적인 매개변수를 규명한다.
• 합금 원소가 (111) 비틀림 시스템에서 불안정한(γusf) 및 안정한(γsf) 비틀림 결함 에너지를 조절하는 역할을 규명한다.
• Ni 및 Ni₃Al 상에서 비틀림 저항성과 디스locations 안정성을 향상시키는 데 가장 효과적인 합금 원소를 규명한다.
• 단일결정 초합금의 합금 설계를 위한 포괄적이고 예측 가능한 GSFE 반응 데이터베이스를 구축한다.

제안 방법

• Ni 및 Ni₃Al에서 용매 원자와 용질 원자를 포함한 경우에 대해 GSFE를 계산하기 위해 ab initio 밀도함수이론(DFT) 계산을 활용하였다.
• 모든 Ni 및 Ni₃Al에서 [011̄](111) 및 [112̄](111) 비틀림 시스템을 따라 GSFE를 결정하기 위해 앨리아스 전단 방법을 사용하였다.
• Ni 및 Ni₃Al 초세포에 30개 이상의 원소를 체계적으로 치환하여 γusf 및 γsf에 미치는 영향을 평가하였다.
• 용질 원소의 Ni₃Al 내 위치 선호도를 분석한 결과, IIIB–VIIB 부족에 속하는 원소들은 Al 자리에 강한 선호도를 보였다.
• 역원자 반지름 및 d전자 수와 같은 원자적 성질과 GSFE 변화를 관련지어 분석하였다.
• 가용한 실험 및 문헌 데이터와 결과를 대조하여 일관성과 신뢰성을 확보하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 합금 원소가 (111) 평면에서 Ni 및 Ni₃Al의 불안정한 비틀림 결함 에너지(γusf)에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ2 합금 원소가 Ni₃Al에서 안정한 비틀림 결함 에너지(γsf)에 미치는 영향은 무엇이며, 특히 반상경계 및 복합 비틀림 결함 안정성에 대해 어떠한가?
• RQ3 어느 원소가 GSFE를 가장 효과적으로 증가시켜 Ni 및 Ni₃Al에서 디스locations 비틀림 저항성을 향상시키는가?
• RQ4 원자 크기(역원자 반지름)와 용질이 GSFE에 미치는 영향의 크기 사이에 상관관계가 존재하는가?
• RQ5 Re, W, Mo, Os, Ru, Ir 및 Pt와 같은 전이금속 원소가 Ni₃Al에서 주요 및 부수적 부분 디스locations 장벽에 미치는 영향은 어떠한가?

주요 결과

• Re, W 및 Mo는 Ni에서 γusf를 크게 증가시켜 디스locations 이동의 에너지 장벽을 높이고 강화 효과를 향상시킨다.
• Ni₃Al에서는 Re가 모든 세 가지 비틀림 시스템([112̄], [011̄], [110̄])에서 γusf를 증가시켜 디스locations 방출 및 비틀림이 더 어려워지게 한다.
• Os, Ru 및 Ir는 주요 및 부수적 부분 디스locations의 GSFE를 증가시켜 Ni 및 Ni₃Al 모두에서 강화 잠재력이 높다.
• 대부분의 용질 원소(제외: Mn, Fe, Co)에 의해 Ni에서 γusf 감소는 원자 반지름의 역수와 강하게 상관관계가 있다.
• IIIB–VIIB 부족에 속하는 원소들은 Ni₃Al에서 γsf를 증가시켜 반상경계 및 복합 비틀림 결함의 안정성을 감소시킨다.
• Re는 Ni에서 132 mJ/m², Ni₃Al에서도 132 mJ/m²의 γusf 증가를 유도하며, Os, Ru 및 Ir 역시 유사한 증가를 보여 상당한 강화 잠재력을 지닌다.