2018 Fiscal Year Annual Research Report
Materials design of high-entropy alloys accelerated by synergistic combination of computational thermodynamics and simulation of phase transformations
| Project Area | High Entropy Alloys - Science of New Class of Materials Based on Elemental Multiplicity and Heterogeneity |
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| Project/Area Number |
18H05454
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
小山 敏幸 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (80225599)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
陳 迎 東北大学, 工学研究科, 教授 (40372403)
阿部 太一 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 構造材料研究拠点, 主幹研究員 (50354155)
大谷 博司 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (70176923)
及川 勝成 東北大学, 工学研究科, 教授 (70356608)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| Keywords | 状態図 / 相変態 / CAＬPHAD法 / フェーズフィールド法 / データ同化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
理論的状態図解析に関しては、クラスター展開・変分法によりハイエントロピー合金（HEA）として報告されている合金系(FCC 基の CrMnFeCoNi、BCC 基のVNbMoTaW、TaNbHfZrTi、MoNbHfZrTiを対象)の固溶体中の相互作用を評価し、自由エネルギーを計算した。その結果、いずれの系においても原子間相互作用は弱く、固溶状態は理想溶体に近い振る舞いを示すことが明らかとなった。さらにVNbMoTaW系以外では化合物が安定化しにくく固溶体が得られやすいことが示された（大谷）。次に第一原理計算に基づく相安定性解析では、固溶体の不規則配列を近似的に表現するモデルSQS群の構築とテスト計算を行い、高精度で効率的にDFT計算が実行できるSQSモデルを作成した（陳）。状態図データベースに関しては、FCC、BCC、およびHCP系合金に対するギブスエネルギーデータベース構築を進めるとともに、熱空孔濃度を導入する定式化を行った。熱空孔濃度の温度依存性を求めた結果、純物質と比較して、HEAでは顕著な空孔濃度低下が生じていないことが示された（阿部, 大沼）。一方、HEA状態図に対する実験的検討について、Cr-Ni-Mn系の相境界の一部を実験的に決定した結果、TC-HEA2およびPanHEA2018により得られる計算状態図と、BCC-Cr中Ni固溶限のMn濃度依存性が大きく異なることが示された（及川, 上島）。最後に速度論と熱力学を結びつけるアプローチとして、CoCrFeMnNi系のfcc相を対象に、拡散対濃度プロファイルの実験データから、ギブスエネルギーパラメータと拡散係数を、アジョイント法（データ同化手法の１つ、フェーズフィールド法の理論式から構成）を用いて推定するシステムのプロトタイプを構築した。その結果、当研究における本アジョイント法の有効性が示唆された（小山）。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
ハイエントロピー合金(HEA)開発を推し進めるための学術課題は、「多成分系状態図全組成域における高精度・高効率な状態図アセスメントの実現」および「複雑な材料・プロセスパラメータ空間での特性最適化の加速」であり、本研究の達成目標は以下の３点に集約される。(1) 高濃度多元固溶体に対する計算熱力学モデルの高度化とHEA 熱力学データベースの整備、(2) フェーズフィールド(PF)法とデータ同化を活用した熱力学パラメータおよび易動度パラメータのアセスメント、(3) 機械学習によるHEA 開発の効率化。本研究の最終目的は、計算熱力学、計算組織学、および情報材料学を相互に連携・融合させることにより、HEA状態図の高精度・高効率アセスメントを実現するとともに、HEA設計を加速させる新たな方法論を構築することである。当グループのメンバーは、これまでHEAを直接、研究対象とした経験はないが、上記目的達成に必要な種々のノウハウを有している。そこで2018年度は、これらノウハウのHEAへの展開（試行）および関連情報収集を進めることを目標とした。その結果、HEAの相安定の理解を中心に、上記の「研究実績の概要」に示すように各自の有する各種解析法に基づき個別研究を進め、ほぼ当初の予定に即した成果を得るに至った。さらにA02エ班による班内会議（他班にもオープン）を開催することにより、班としての研究指針の確認、各メンバーの進捗状況の共有、個々の研究の方向調整・優先順位の確認、およびHEAに関する関連情報の共有を強化した。また本領域研究会の定期的な研究発表会はもとより、日本金属学会の講演大会など、種々の機会を活用し、研究内容・推進状況に関する討論・打合せを行い領域全体との連携も順調に進んでいる。以上により本研究は、おおむね順調に進展していると判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
2018年度において、個々のメンバーが有する各解析手法のHEA適用が形になってきたので、2019年度は、まずはこのまま2018年度の手法の高度化を進めるとともに、特に以下の二点に関して、統一的見解を出したいと考えている。
（１）HEA固溶体のギブスエネルギー関数は、広義の正則溶体モデルでよいのか、それとも会合溶液モデルや擬化学モデルなどの局所クラスタリングを陽に考慮したモデルが必要なのかを明らかにする。
（２）CALPHAD法における熱力学および拡散理論の両面から、多成分系の拡散の特徴を理解することにより、Sluggish-Diffusionの本質を明確化する。
他方、本領域全体の連携および研究加速の観点から、当班において、既存の熱力学データベースによる状態図計算サービスを開始する予定である。これを通じて、領域全体への当グループの貢献、および領域全体からの状態図に関する実験情報（既存の状態図で説明できる部分と説明できない部分の情報）の集約を同時に進める計画である。
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Research Products
(38 results)
