[논문 리뷰] Kinetic Monte Carlo simulations of vacancy diffusion in non-dilute Ni-X (X=Re,W,Ta) alloys

Maximilian Grabowski, Jutta Rogal외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 12.

High Temperature Alloys and Creep인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 비희석 상태의 Ni-Re, Ni-W, Ni-Ta 합금에서 10 at.% 이하의 용질 농도까지의 균열 확산을 조사하기 위해 밀도함수이론(DFT)과 운동 몬테카를로(KMC) 시뮬레이션을 조합한다. 이는 균열 이동성이 주로 용질에 의해 유도된 주재료의 확산 장벽 변화에 의해 결정되며, 용질의 본질적 확산 장벽이 아니라, 이는 W가 Re보다 빠르게 확산되지만 Ni-W에서 더 강한 감속 효과를 보임으로써 초래되는 것으로, 초합금에서 Re 효과를 설명하는 데 균열 이동성만으로 충분하다는 가정을 도전한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실제 γ 상 미세구조에서 관찰되는 농도(최대 10 at.%)에 해당하는 비희석 상태의 Ni 기반 초합금에서 균열 확산을 이해하기 위해.
• Re가 Ni 기반 초합금에서 피로 강도를 향상시키는 데 기여하는 원인으로 균열 이동성 감속이 유일하게 설명 가능한지 조사하기 위해.
• 균열 이동성 제어에 있어 용질 확산 장벽과 용질에 의해 유도된 주재료 확산 장벽 변화의 상대적 기여를 규명하기 위해.
• KMC 시뮬레이션에서 용질-용질, 용질-주재료, 용질-균열 상호작용을 명시적으로 기술하는 상호작용 모델을 개발하고 적용하기 위해.
• W가 Re와 유사하게 피로 강도를 향상시키지만, 이 효과가 균열 이동성 억제와 동일한 방식으로 이루어지는지 평가하기 위해.

제안 방법

• Ni-X (X=Re, W, Ta) 체계에서 원자 이동 장벽과 상호작용 에너지를 계산하기 위해 밀도함수이론(DFT)을 활용하였다.
• 지역적 용질 협동구조와 균열 점프 빈도에 미치는 영향을 고려한 화학적 환경 의존성 상호작용 모델을 개발하였다.
• DFT에서 유도된 점프 빈도와 상호작용 파rameters를 사용하여 비희석 합금에서의 균열 확산을 모델링하기 위해 운동 몬테카를로(KMC) 시뮬레이션을 수행하였다.
• 이deal한 고체용액 근사치의 한계를 피하기 위해 KMC 모델에서 용질-용질 및 용질-주재료 상호작용을 명시적으로 처리하였다.
• KMC 궤적에서 유도된 열역학 인자 행렬과 운반 계수를 사용하여 확산 행렬을 통해 매크로스코픽 확산 특성을 계산하였다.
• 이deal한 용액에 대한 분석적 표현과 비이상적이고 비희석 상태의 경우 수치적 에너지 평균화를 사용하여 모델을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비희석 상태의 Ni 기반 초합금에서 균열 이동성은 용질에 의해 유도된 주재료 확산 장벽 변화에 얼마나 의존하는가? 이는 용질의 본질적 확산 장벽보다 더 중요한가?
• RQ2 W가 Re보다 빠르게 확산되는데도 불구하고, 왜 Ni-W에서 균열 이동성 감속이 Ni-Re보다 더 강한가?
• RQ3 γ 상에서 국소적 용질 농도를 고려할 때, 관측된 Re 및 W에 의한 피로 강도 향상은 균열 이동성 억제만으로 설명 가능한가?
• RQ4 Re 효과를 설명하기에 충분한 균열 이동성 감소를 유도하기 위해 필요한 용질 농도는 얼마이며, 이는 실제 미세구조에서 달성 가능한가?
• RQ5 용질-용질 및 용질-주재료 상호작용은 비희석 상태 합금에서 효과적 확산 장벽에 어떻게 영향을 미치며, 이를 명시적으로 모델링하는 것이 필수적인가?

주요 결과

• W의 본질적 확산 장벽이 Re보다 낮음에도 불구하고, 동일한 용질 농도에서 Ni-W에서의 균열 이동성 감속은 Ni-Re보다 현저히 더 강하다.
• 균열 이동성 제어의 주요 요인은 용질 자체의 확산 장벽이 아니라, 용질 원자가 유도하는 주재료의 확산 장벽 변화이다.
• Re 효과를 설명하기 위해 필요한 75%의 균열 이동성 감소는 국소적 Re 농도가 20 at.%를 초과할 경우에만 달성 가능하며, 이는 고갈 또는 γ/γ′ 인터페이스 근처에서 도달할 수 있다.
• 10 at.% Re에서 시뮬레이션된 균열 이동성은 약 50% 감소하였으며, 이는 실험적으로 관측된 Re 효과를 완전히 설명하기에는 부족하다.
• W와 Re가 유사한 피로 강도 향상을 나타내는 것은 용질에 의해 유도된 주재료 장벽 변화에 의한 균열 이동성 억제가 유사하기 때문으로 설명된다.
• 비희석 상태 합금에서의 확산 예측 정확도를 높이기 위해 용질-용질, 용질-주재료, 용질-균열 상호작용 에너지를 명시적으로 모델링하는 것이 필수적이며, 이deal한 고체용액 모델은 이 영역에서 실패한다.