2017 Fiscal Year Research-status Report
第一原理に基づく画期的定量モデリングによる析出分散強化型耐熱超合金の理論設計
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17K18998
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
佐原 亮二 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 (30323075)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大野 かおる 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (40185343)
長田 俊郎 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 構造材料研究拠点, 主任研究員 (50596343)
戸田 佳明 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 (60343878)
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| Project Period (FY) |
2017-06-30 – 2019-03-31
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| Keywords | 第一原理計算 / 耐熱合金 / 熱力学的特性 / 繰り込み |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、航空機のジェットエンジンなどで幅広く使用されるニッケル(Ni)基耐熱超合金に的を絞り、実用温度領域(～1473K)におけるγ(FCC)相中へのγ'(L12)相整合析出物分散による強化機構の定量理論予測可能なモデルを、電子論に基づき構築することである。そのため、第一原理計算の繰り込み操作による粗視化(スケール変換) の手続きを経て、組織自由エネルギー法に基づく等温析出曲線図(TTP図)までをシームレスに繋ぐ新規階層モデルを開発する。第一原理計算結果を基に、繰り込みの手法で格子振動や歪みの効果を取り込み格子モデルの多体相互作用を決定した。一方、FCC格子を有するモンテカルロ法のプログラムコードについては、スパコンで実行するために並列化をおこない、現実的な時間内に結果が得られることを確認している。本プログラムコードに、繰り込みポテンシャルを多体相互作用として用いる事で、相転移の情報を定量的に評価する。今後は、統計精度をあげるための計算をおこない、熱力学的特性の定量評価をおこなう予定である。
TTP図やフェーズフィールド法など、古典的な描像に基づく連続体モデルに対する一般的な問題として、計算に必要なパラメーターの正当化、実験との定量的な議論や特性予測の困難さが挙げられる。本研究により、これらの問題点を抜本的に解決し、整合析出物分散による耐熱超合金強化機構の、世界最高水準の精度を有する理論定量予測モデル構築を目指す。
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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
本研究で注目しているFCC格子を有するNiAl二元系合金について、繰り込みの手順の整備をおこなった。つまり、純金属(純Ni, 純Al)、Ni3Al, NiAl, NiAl3という5つの相について、第一原理計算により繰り込みポテンシャルテーブルの作成をおこなった。2x2x2個のセル(32個の原子を含む)から構成されるスーパーセルを導入し、その中心位置にある原子について、格子点を中心としてその周囲を1000点近いグリッドに分割し、原子位置を変えながら第一原理計算をおこなった。得られた結果を用いて部分状態和に関する積分をおこなうことで、繰り込みの効果の温度依存性を求めた。その際、空間の対称性に基づいて、既約領域を求めるプログラムを作成し、膨大な量の計算を減らすことをおこなった。
次に、この繰り込みポテンシャルを用いて、モンテカルロシミュレーション(MC)をおこなった。その際、今回は例として、実用上興味深い高Ni濃度側において、1300KにおけるMCを検討した。この濃度領域においては、γ'単相領域～γ/γ'二相共存領域の相転移、およびγ/γ'二相共存領域～γ単相領域の相転移が実験的に観察されている。はじめに1コアで動作するMCコードを作成し、動作確認をおこなった。概ね実験値を定量的に再現することが確認された。
本プログラムコードを並列化処理できるように修正をおこなった。これにより、(ある程度高温側においては)熱平衡状態が実現されるほどの長時間シミュレーションをおこなう事が可能となった。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、MC計算の統計精度をあげることを検討している。先述のように、すでにMCのプログラムコードは並列化されており、1ノード24コアの計算機資源ではMPI×SMPハイブリッド並列で、実行性能が良いスケーラビリティが得られることを確認している。一方、プログラムアルゴリズムの特性上、2ノード以上の並列化では、効率的でないことも確認ずみである。これより、今後は1ノード並列の計算で長時間側のMCシミュレーションをおこない、熱平衡状態を実現し、解析精度をあげる予定である。また、これまでのところ、1300Kという温度一点についてのみ計算をおこなっているので、今後は温度を変えることによって、相転移濃度の温度依存性を明らかにしてゆく予定である。
次に、本手法により得られた結果を基にして、連続体モデルへの拡張を検討する。最終的に、組織自由エネルギー法に基づく等温析出曲線図の作成に必要な界面エネルギー、あるいはAPB エネルギーの温度依存性を算定する予定である。
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| Causes of Carryover |
初年度は、繰り込みポテンシャル作成プログラムの確認、モンテカルロコードの作成とその動作確認に集中するようにしたため、国際会議参加を翌年度に繰り越すことにした。そのため、海外旅費が、当初の予定より少額ですんだ。また、同じ研究分野の研究者を招へいし、打ち合わせと議論をおこなう予定であったが、招へい予定の時期が当初の予定より大幅にずれてしまい、昨年度中におこなう予定が、今年度に招へいすることとなった。このための予算に使用する予定である。さらに、同じ研究分野の研究者と効率的な議論をおこなうための海外旅費に充てる予定である。
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