フェーズフィールド法によるミクロ組織の定量化と構造材料の新しい設計指針の提示

使用相场方法量化微观结构并提出结构材料的新设计指南

基本信息

批准号：
09J08669
负责人：
塚田祐貴
金额：
$ 1.34万
依托单位：
Nagoya Institute of Technology (2011)Nagoya University (2009-2010)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2009
资助国家：
日本
起止时间：
2009 至 2011
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究は、フェースフィールド法により高温構造材料のミクロ組織形成をモデル化し、ミクロ組織制御に基づく材料設計基盤を構築することを目的とする。本年度は、前年度までに得られたニッケル基超合金における高温クリープ中のミクロ組織形成シミュレーション結果を基に、ミクロ組織変化と原子拡散現象の相関について検討した。まず、シミュレーション結果と実用合金CMSX-4の高温クリープ中のミクロ組織変化を比較することにより、母相(γ)と折出相(γ')の異相界面モビリティを算出した。次に、原子拡散係数データベースおよび平衡状態図の熱力学データベースを基に整備されている既存の拡散モビリティデータベースを利用し、CMSX-4合金の構成元素の拡散モビリティを算出した。以上の結果を用いて、シミュレーションにより得られたγ/γ'界面モビリティと構成元素の拡散モビリティの相関を検討した結果、実用合金におけるγ/γ'界面移動すなわちミクロ組織変化は、レニウム(Re)の拡散に律速されることが明らかとなった。レニウム(Re)はCMSX-4の構成元素の中で拡散モビリティが最も小さい元素である。これらの結果は、レニウム(Re)の添加が高温でのミクロ組織変化抑制の一役を担っていることを示唆している。以上の解析はすべて母相(γ)の拡散モビリティデータベースに基づいているが、今後、折出相(γ')について多元系データベースが整備されれば、フェーズフィールド法に基づくミクロ組織形成シミュレーションの精度がさらに向上することが期待される。

本研究的目的是利用面场方法对高温结构材料的微观结构形成进行建模，并构建基于微观结构控制的材料设计平台。今年，我们根据前一年获得的镍基高温合金高温蠕变过程中微观组织形成的模拟结果，研究了微观组织变化与原子扩散现象之间的相关性。首先，通过比较模拟结果和实际合金CMSX-4高温蠕变过程中的微观结构变化，我们计算了母相（γ）和析出相（γ'）之间的界面迁移率。接下来，利用现有的扩散迁移率数据库计算CMSX-4合金的组成元素的扩散迁移率，该数据库基于原子扩散系数数据库和平衡相图热力学数据库。利用上述结果，我们研究了通过模拟获得的γ/γ'界面迁移率与组成元素的扩散迁移率之间的相关性，发现γ/γ'界面迁移率，即实际合金中的微观结构变化，很明显，该速率是由铼 (Re) 的扩散决定的。铼 (Re) 在 CMSX-4 的组成元素中具有最小的扩散迁移率。这些结果表明，铼 (Re) 的添加起到了抑制高温下微观结构变化的作用。以上分析均基于母相（γ）的扩散迁移率数据库，但如果将来开发析出相（γ'）的多组分数据库，则基于预计相场法将会进一步改进。