[論文レビュー] Comprehensive ab initio study of effects of alloying elements on generalized stacking fault energies of Ni and Ni$_3$Al

Heyu Zhu, Jian-Tao Wang+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2023

High Temperature Alloys and Creep被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、ab initio密度汎関数理論を用いて、NiおよびNi₃Alにおける一般化ねじれ格子フォールトエネルギー（GSFE）に及ぼす30種以上の合金元素の影響を体系的かつ包括的に調査した。その結果、Re、W、Mo、Os、Ru、IrはGSFEを顕著に増加させ、すべり抵抗性および不純物欠陥の安定性を向上させることを明らかにした。本研究の知見は、次世代のニッケル基超合金の設計に向けた予測的フレームワークを確立した。

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.

研究の動機と目的

• ニッケル基超合金における高温強度の主要なパラメータである、NiおよびNi₃Alにおける一般化ねじれ格子フォールトエネルギー（GSFE）に及ぼす合金元素の影響を理解すること。
• スライス系(111)における不安定な（γusf）および安定な（γsf）ねじれ格子フォールトエネルギーの調整に及ぼす合金元素の役割を明確化すること。
• NiおよびNi₃Al相におけるすべり抵抗性および不純物欠陥の安定性を向上させる最適な合金元素を同定すること。
• 単一結晶超合金における合金設計を支援する包括的で予測可能なGSFE応答のデータベースを構築すること。

提案手法

• NiおよびNi₃Alに溶質原子を含む・含まない状態のGSFEを計算するために、ab initio密度汎関数理論（DFT）計算を用いた。
• [011̄](111)および[112̄](111)スライス系におけるNiおよびNi₃AlのGSFEを特定するために、aliasせん断法を用いた。
• NiおよびNi₃Alのスーパーセルに30種以上の元素を体系的に置換し、γusfおよびγsfに及ぼす影響を評価した。
• Ni₃Alにおける溶質のサイト選択的傾向を分析した結果、IIIB〜VIIB族に属する元素はAlサイトに強く偏在することが判明した。
• 原子半径の逆数およびd電子数などの原子的性質とGSFEの変化を相関させた。
• 可能な限り実験値および既存の文献データと照合し、結果の整合性と信頼性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる合金元素は、(111)面におけるNiおよびNi₃Alの不安定ねじれ格子フォールトエネルギー（γusf）にどのように影響を与えるか？
• RQ2 特に反相界面および複雑なねじれ格子フォールトの安定性に関連して、Ni₃Alにおける合金元素が安定ねじれ格子フォールトエネルギー（γsf）に及ぼす影響は何か？
• RQ3 どの元素がGSFEを最も顕著に増加させ、NiおよびNi₃Alにおける不純物欠陥のすべり抵抗性を向上させるか？
• RQ4 原子サイズ（逆半径）と溶質によるGSFE変化の大きさとの間に相関があるか？
• RQ5 Re、W、Mo、Os、Ru、Ir、Ptなどの遷移金属は、Ni₃Alにおける先行部分的欠陥および後行部分的欠陥の障壁にどのように影響を与えるか？

主な発見

• Re、W、MoはNiにおけるγusfを顕著に増加させ、不純物欠陥のすべりに対するエネルギー障壁を上昇させ、強化効果を高めた。
• Ni₃Alでは、Reが[112̄]、[011̄]、[110̄]の3つのスライス系すべてにおいてγusfを増加させ、不純物欠陥の発生およびすべりを困難にした。
• Os、Ru、Irは、NiおよびNi₃Alの両方において、先行および後行部分的欠陥の両方のGSFEを増加させることで、顕著な強化可能性を示した。
• ほとんどの溶質（Mn、Fe、Coを除く）がNiにおけるγusfの低下は、原子半径の逆数と強く相関していた。
• IIIB〜VIIB族に属する元素は、Ni₃Alにおけるγsfを増加させ、反相界面および複雑なねじれ格子フォールトの安定性を低下させた。
• ReはNiにおいて132 mJ/m²、Ni₃Alにおいても132 mJ/m²のγusf増加を示し、Os、Ru、Irに対しても同様の増加が観察された。これは、優れた強化可能性を示している。