2019 Fiscal Year Annual Research Report
Alloy Design of High-Entropy Alloys Based on Screening Hypothesis and Statistical Decision Principle and Fabrications of New Alloys
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17H03375
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
竹内 章 東北大学, 工学研究科, 特任教授 (40250815)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
網谷 健児 東北大学, 金属材料研究所, 特任准教授 (30463798)
湯葢 邦夫 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (00302208)
和田 武 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (10431602)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 高エントロピー合金 / 稠密六方構造 / 面心立方構造 / 体心立方構造 / 合金設計 / 価電子濃度 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、これまでに報告事例の無い高エントロピー合金(HEA)として、下記の３条件、すなわち、(1)遷移金属を構成元素とする合金、(2)アーク溶解法や高周波溶解法などの液体からの凝固を利用した製造方法、(3)六方稠密(HCP)構造、を同時に満たす新規HEAの作製を試みた。合金設計として、Miedemaモデルの構造エンタルピーの価電子濃度(VEC)依存性に着目して、サンドイッチ法と名付けた独自のVECの調整方法によるHEAの構造制御方法を考案した。この方法に基づき、計算機科学支援による合金予測を行った結果、Ir26Mo20Rh22.5Ru20W11.5およびIr25.5Mo20Rh20Ru25W9.5の２合金を新規のHCP構造のHEA候補として選出した。この予測に基づき、実験的に実証した結果、両合金をアーク溶解法で作製したサンプルおよび2100 Kで2h熱処理したサンプルの双方でHCP構造の新規HEAの作製に成功した。さらに、このVEC制御法により結晶構造に応じた最適化を図った場合、bcc、hcp、fcc構造の新規HEAを開発できる可能性を示した。さらに、Ir-Rh-Ru-Mo-W系の中から、新規HEAの開発を目指し、bcc、hcp、fcc構造の新規HEAが合金組成直線上で出現する可能性を予測した。その結果、Ir0.415254(100-2x)Rh0.415254(100-2x)Ru0.169492(100-2x)WxMox (x: 0-50 at%)の合金組成線を計算機科学により予測した。実験的検証の結果、VEC=6.849のx=35合金ではbcc+hcp混相、VEC=7.472、7.981、8.378のx=24、15、8合金ではhcp単相、VEC = 8.574のx=5合金ではfcc単相の新規HEAの作製に成功した。
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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
今年度は新規高エントロピー合金(HEA)の実証を重点的に行った結果、これまで、最も達成困難な課題であった遷移金属を構成元素とする合金を液相凝固によりHEAとして作製することに世界で初めて成功して、今年度中に二報の論文として発表することができた。この成果により、計算機支援によろう新規HEAの開発に目途がついた状況にあり、現在までの進捗状況は、おおむね順調と自己評価できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後も、(1)合金設計、(2)予測・実証および(3)構造解析を主軸として研究を推進する。
(1)合金設計は、代表者の竹内が担当する。2020年度は、hcp構造の高エントロピー合金(HEA)の研究を発展させる。なお、hcp構造のHEAとし ては、3d遷移金属から構成されるCrMnFeCoNi合金に着目して、報告事例のある超高圧を印加した場合のHCP構造のHEAの成功事例との差異を明確にするため、本研究では、通常のアーク溶解法を利用して、かつ、常圧で生成される合金系および合金 組成を計算機予測による最適化を通じて、hcp構造のHEAを新規に見出す。
(2)実験的実証(合金探査)は、分担者の和田および網谷が担当する。和田は、上述の計算機予測に対応して、試料作製は最も汎用的なアーク溶解法によりボタン 状試料を効率的に作製してHEAの生成の可否を見極める。また、X線回折(XRD)法により得られた試料の構造を解明するとともに、熱処理によりサンプルの均一化を 図る。網谷は、得られた試料の光学顕微鏡観察、走査電子顕微鏡観察および元素分析を担当して、分担者の和田と連携して実験を進める。
一方、(3)構造解析を担当する分担者の湯葢は、試料の電子顕微鏡観察を行うとともに、結晶構造解析を行い、合金設計担当の竹内および実験的検証担当の和田 および網谷と連携して、効率的に研究を遂行する。
研究期間最終年度の2021年度は、新規HEAの作製を行いつつ、作製したHEAの熱力学的解析を行う。さらに、高機能特性を具備したHEAの合金設計、ならびに、HEAの基礎的学理の究明を行う。最後に研究を総括する。
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