Design of novel Ti alloy with FCC phase by using first-principles calculation

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20K22470
• Research Institution: Kyushu Institute of Technology
• Principal Investigator: 河野 翔也 九州工業大学, 大学院工学研究院, 助教 (60878429)
• Project Period (FY): 2020-09-11 – 2023-03-31
• Keywords: 第一原理計算 / チタン / FCC / 積層構造

Outline of Annual Research Achievements

本研究は局所的にFCC構造を含む長周期積層構造の形成には、HCP構造よりも長周期積層構造のエネルギーが低いこと、安定な遷移経路を示すことが必要というクライテリアの下で以下の計算を行った。①純Ti及び実験報告を元にTi-Si系とTi-Nb系を対象として、長周期積層構造(FCC構造とHCP構造が周期的に積層した構造)の遷移状態解析を行った。②周期表の4周期Ca~Geと5周期の元素Sr~Snを添加元素とした場合のHCP構造と長周期積層構造のエネルギー差dEを計算した。③負のdEを示す元素に関して遷移状態解析を行った。
①純Tiの計算結果から、長周期積層構造の形成のために必要な活性化エネルギーは低いため、Ti系において長周期積層構造の形成の可能があることがわかった。Ti-Si系の計算結果からHCP構造よりも長周期積層構造が安定、遷移状態も安定であることがわかった。これは計算上、TiのHCP構造にSiの濃化部分ができると、自発的に長周期積層構造に相転移することを示す結果である。一方Ti-Nb系の計算結果からは、Nbによる相転移の可能性は否定される結果を得た。
②V, Cr, Cu, Ge, Y, Mo, Pd, Ag, Snの場合にHCP構造よりも長周期積層構造のエネルギーが低いという結果を得た。
③Ge, Cu, Pd, Agが安定な経路でHCP構造から長周期積層構造へ遷移することが分かった。これより、TiにおけるFCC相の利用へ向けた添加元素としてSi、Ge, Cu, Pd, Agがそのポテンシャルを持つ元素であることがわかった。Si、Geはダイアモンド構造、Cu、Pd、AgはFCC構造であり、そのような添加元素のTi合金おける長周期積層構造の安定化は添加元素のもつFCC構造の安定性に由来していると考えている。