模擬技術(shù)預(yù)測(cè)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的合金的微觀結(jié)構(gòu)

研究人員能夠快速準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)通常用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪機(jī)部件設(shè)計(jì)的鎳鋁(Ni-Al)合金的微觀結(jié)構(gòu)。迄今為止，這些合金的微觀結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)是耗時(shí)且昂貴的。該研究結(jié)果有可能極大地推進(jìn)由一系列不同合金制成的材料設(shè)計(jì) - 這些材料用于制造幾個(gè)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(shè)計(jì)限制促使需要?jiǎng)?chuàng)造更有效的設(shè)計(jì)方法。一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是如何準(zhǔn)確預(yù)測(cè)合金的微觀結(jié)構(gòu)(只能通過(guò)顯微鏡觀察到的非常小尺寸的結(jié)構(gòu))，這可以極大地影響物理性能，如強(qiáng)度，韌性，耐腐蝕性，硬度和/或抗磨損性。

作者能夠通過(guò)使用“第一原理相場(chǎng)法”預(yù)測(cè)合金微觀結(jié)構(gòu)。該程序僅基于物理學(xué)的基本定律(第一原理)預(yù)測(cè)合金的微觀結(jié)構(gòu)，然后使用這些參數(shù)來(lái)模擬微觀結(jié)構(gòu)形成(相場(chǎng))。這與經(jīng)驗(yàn)建模或基于實(shí)驗(yàn)或僅基于先前觀察的預(yù)測(cè)相反。此外，研究人員在模擬噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪機(jī)(~1027 o C)的高溫下進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)。

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

對(duì)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(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)和生產(chǎn)新材料的可靠模擬技術(shù)可以使生產(chǎn)更快，更便宜。然而，目前大多數(shù)材料設(shè)計(jì)理論都是現(xiàn)象學(xué)的，并且來(lái)自實(shí)驗(yàn)觀察和實(shí)證經(jīng)驗(yàn)。這些既耗時(shí)又昂貴。

根據(jù)作者的說(shuō)法，第一原理相場(chǎng)方法如此有利的原因在于，它通過(guò)重整化理論，物理學(xué)中的一個(gè)概念，將精確的小規(guī)模(第一原理)計(jì)算和大規(guī)模(相位場(chǎng))模型聯(lián)系起來(lái)。使無(wú)限自由度有限，或連續(xù)變量離散。換句話說(shuō)，通過(guò)使用他們的方法，他們能夠克服耗時(shí)且昂貴的實(shí)驗(yàn)程序，并且仍然生產(chǎn)與實(shí)驗(yàn)方法一致的材料。

“第一原理相場(chǎng)法被發(fā)明為世界上第一個(gè)創(chuàng)新的多尺度模擬技術(shù)。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(yù)測(cè)任何Ni-Al合金成分的復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)，而無(wú)需使用任何經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，我們的結(jié)果都與實(shí)驗(yàn)非常吻合，“橫濱國(guó)立大學(xué)的通訊作者兼教授Kaoru Ohno說(shuō)。

Ohno和材料科學(xué)研究所的合著者表示，該方法可用于預(yù)測(cè)合金的機(jī)械強(qiáng)度，因?yàn)榭梢院苋菀椎赜?jì)算局部力分布以及微觀結(jié)構(gòu)。

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

在未來(lái)中，作者打算應(yīng)用的方法進(jìn)行各種鋼材料和其他多元合金，以預(yù)測(cè)它們的初始組合物的微觀結(jié)構(gòu)和局部應(yīng)力分布的依賴性和更好地理解它們的特性。