模擬技術預測噴氣發(fā)動機中使用的合金的微觀結構

研究人員能夠快速準確地預測通常用于噴氣發(fā)動機渦輪機部件設計的鎳鋁(Ni-Al)合金的微觀結構。迄今為止，這些合金的微觀結構的預測是耗時且昂貴的。該研究結果有可能極大地推進由一系列不同合金制成的材料設計 - 這些材料用于制造幾個不同行業(yè)的產(chǎn)品。

合金是由兩種或更多種金屬組成的耐用材料。傳統(tǒng)合金制造工藝目前的高成本和設計限制促使需要創(chuàng)造更有效的設計方法。一個關鍵的挑戰(zhàn)是如何準確預測合金的微觀結構(只能通過顯微鏡觀察到的非常小尺寸的結構)，這可以極大地影響物理性能，如強度，韌性，耐腐蝕性，硬度和/或抗磨損性。

作者能夠通過使用“第一原理相場法”預測合金微觀結構。該程序僅基于物理學的基本定律(第一原理)預測合金的微觀結構，然后使用這些參數(shù)來模擬微觀結構形成(相場)。這與經(jīng)驗建?；蚧趯嶒灮騼H基于先前觀察的預測相反。此外，研究人員在模擬噴氣發(fā)動機渦輪機(~1027 o C)的高溫下進行了模擬實驗。

該研究于2019年8月1日在Nature Communications上發(fā)表。

對具有所需性能的新材料的追求需要基于改變?nèi)舾勺兞康牟牧系奈⒂^結構工程，例如組成，形態(tài)，壓力，溫度，摻雜，鑄造和鍛造。

基于理論原理，可以幫助設計和生產(chǎn)新材料的可靠模擬技術可以使生產(chǎn)更快，更便宜。然而，目前大多數(shù)材料設計理論都是現(xiàn)象學的，并且來自實驗觀察和實證經(jīng)驗。這些既耗時又昂貴。

根據(jù)作者的說法，第一原理相場方法如此有利的原因在于，它通過重整化理論，物理學中的一個概念，將精確的小規(guī)模(第一原理)計算和大規(guī)模(相位場)模型聯(lián)系起來。使無限自由度有限，或連續(xù)變量離散。換句話說，通過使用他們的方法，他們能夠克服耗時且昂貴的實驗程序，并且仍然生產(chǎn)與實驗方法一致的材料。

“第一原理相場法被發(fā)明為世界上第一個創(chuàng)新的多尺度模擬技術。使用這種方法，我們能夠成功地從第一原理(物理基本定律)成功預測任何Ni-Al合金成分的復雜微觀結構，而無需使用任何經(jīng)驗參數(shù)，我們的結果都與實驗非常吻合，“橫濱國立大學的通訊作者兼教授Kaoru Ohno說。

Ohno和材料科學研究所的合著者表示，該方法可用于預測合金的機械強度，因為可以很容易地計算局部力分布以及微觀結構。

作者提出的方法也可用于預測多組分合金或由兩種以上金屬組成的合金的微觀結構。“這些研究突出了迄今為止僅基于經(jīng)驗觀察證明的鋼和其他合金的基本性質。因此，所提出的方法是一種強大的理論工具，可以快速預測最合適的合金，可以實現(xiàn)所需的強度，韌性，延展性，可塑性，輕盈等，盡可能地，“大野補充說。

在未來中，作者打算應用的方法進行各種鋼材料和其他多元合金，以預測它們的初始組合物的微觀結構和局部應力分布的依賴性和更好地理解它們的特性。