Simuleringsteknik forudsiger mikrostrukturer af legeringer, der bruges i jetmotorer - før de laves

Japanske forskere var i stand til hurtigt og præcist at forudsige mikrostrukturen af ​​nikkel-aluminium (Ni-Al) legeringer, der er almindeligt anvendt i design af jetmotor turbine dele. Forudsigelser af mikrostrukturen af ​​disse legeringer har hidtil været tidskrævende og dyre. Resultaterne har potentiale til i høj grad at fremme designet af materialer - der består af en række forskellige legeringer - der bruges til at fremstille produkter i flere forskellige industrisektorer.

Legeringer er holdbare materialer, der består af to eller flere metaller. De nuværende høje omkostninger og designbegrænsninger ved traditionelle legeringsfremstillingsprocesser har drevet behovet for at skabe mere effektive designmetoder. En vigtig udfordring har været, hvordan man præcist kan forudsige en legerings mikrostruktur (den meget lille skala struktur, der kun er synlig i mikroskop), som i høj grad kan påvirke fysiske egenskaber såsom styrke, sejhed, modstand mod korrosion, hårdhed og/eller slidstyrke.

Forfatterne var i stand til at forudsige legeringsmikrostrukturer ved at bruge "første-princip fase-feltmetoden." Denne procedure forudsiger mikrostrukturen af ​​legeringer baseret på fysikkens grundlæggende love alene (første principper) og bruger derefter disse parametre til at modellere mikrostrukturformationer (fasefelt). Dette er i modstrid med empirisk modellering, eller forudsigelser baseret på eksperimenter eller tidligere observationer alene. Desuden, forskerne udførte deres modeleksperimenter under høje temperaturer, der efterligner dem i jetmotorturbiner (~1027 ^o C).

Forskningen blev offentliggjort i Naturkommunikation den 1. august 2019.

Søgen efter nye materialer med ønskværdige egenskaber kræver mikrostrukturkonstruktion af materialer baseret på ændring af flere variabler, såsom sammensætning, morfologi, tryk, temperatur, doping, støbning og smedning.

En pålidelig simuleringsteknik, der kan hjælpe med design og produktion af nye materialer baseret på et teoretisk princip alene, kunne gøre produktionen hurtigere og billigere. Imidlertid, de fleste af de nuværende teorier om materialedesign er fænomenologiske og stammer fra eksperimentelle observationer og empiriske erfaringer. Disse er både tidskrævende og dyre.

Hvad gør den første princips fase feltmetode så fordelagtig, ifølge forfatterne, er, at den bygger bro mellem de nøjagtige småskala (første principper) beregninger og storskala (fasefelt) model ved renormaliseringsteori, et begreb i fysik, der i det væsentlige gør uendelige frihedsgrader begrænsede, eller kontinuerte variabler diskrete. Med andre ord, ved at bruge deres metode, de var i stand til at overvinde tidskrævende og dyre eksperimentelle procedurer og stadig producere materialer, der var i overensstemmelse med eksperimentelle metoder.

"First-principles fase feltmetode blev opfundet som verdens første innovative multiskala simuleringsteknik. Ved at bruge denne metode, vi var i stand til med succes at forudsige komplekse mikrostrukturer af enhver sammensætning af Ni-Al-legeringer ud fra de første principper (fysikkens grundlæggende love) uden at bruge nogen empirisk parameter, og vores resultater stemmer ganske godt overens med eksperimenter, " siger Kaoru Ohno, tilsvarende forfatter og professor ved Yokohama National University.

Ohno og medforfattere fra National Institute for Materials Science i Japan siger, at metoden kan bruges til at forudsige mekanisk styrke af legeringer, fordi de lokale kraftfordelinger såvel som mikrostrukturerne let kan beregnes.

Metoden, som forfatterne præsenterer, kan også bruges til at forudsige mikrostrukturer af flerkomponentlegeringer, eller legeringer, der består af mere end to metaller. "Disse undersøgelser fremhæver den fundamentale karakter af stål og andre legeringer, som hidtil kun er blevet påvist baseret på empiriske observationer. Som sådan, den foreslåede metode er et kraftfuldt teoretisk værktøj til hurtigt at forudsige den bedst egnede legering, der kan realisere den ønskede styrke, sejhed, duktilitet, plasticitet, lethed, osv. så meget som muligt, " tilføjer Ohno.

I fremtiden, Forfatterne planlægger at anvende metoden på forskellige stålmaterialer og andre flerkomponentlegeringer for at forudsige afhængigheden af ​​mikrostrukturer og lokale spændingsfordelinger på deres oprindelige sammensætning og bedre forstå deres egenskaber.