模拟技术预测喷气发动机中使用的合金的微观结构

研究人员能够快速准确地预测通常用于喷气发动机涡轮机部件设计的镍铝(Ni-Al)合金的微观结构。迄今为止，这些合金的微观结构的预测是耗时且昂贵的。该研究结果有可能极大地推进由一系列不同合金制成的材料设计 - 这些材料用于制造几个不同行业的产品。

合金是由两种或更多种金属组成的耐用材料。传统合金制造工艺目前的高成本和设计限制促使需要创造更有效的设计方法。一个关键的挑战是如何准确预测合金的微观结构(只能通过显微镜观察到的非常小尺寸的结构)，这可以极大地影响物理性能，如强度，韧性，耐腐蚀性，硬度和/或抗磨损性。

作者能够通过使用“第一原理相场法”预测合金微观结构。该程序仅基于物理学的基本定律(第一原理)预测合金的微观结构，然后使用这些参数来模拟微观结构形成(相场)。这与经验建模或基于实验或仅基于先前观察的预测相反。此外，研究人员在模拟喷气发动机涡轮机(~1027 o C)的高温下进行了模拟实验。

该研究于2019年8月1日在Nature Communications上发表。

对具有所需性能的新材料的追求需要基于改变若干变量的材料的微观结构工程，例如组成，形态，压力，温度，掺杂，铸造和锻造。

基于理论原理，可以帮助设计和生产新材料的可靠模拟技术可以使生产更快，更便宜。然而，目前大多数材料设计理论都是现象学的，并且来自实验观察和实证经验。这些既耗时又昂贵。

根据作者的说法，第一原理相场方法如此有利的原因在于，它通过重整化理论，物理学中的一个概念，将精确的小规模(第一原理)计算和大规模(相位场)模型联系起来。使无限自由度有限，或连续变量离散。换句话说，通过使用他们的方法，他们能够克服耗时且昂贵的实验程序，并且仍然生产与实验方法一致的材料。

“第一原理相场法被发明为世界上第一个创新的多尺度模拟技术。使用这种方法，我们能够成功地从第一原理(物理基本定律)成功预测任何Ni-Al合金成分的复杂微观结构，而无需使用任何经验参数，我们的结果都与实验非常吻合，“横滨国立大学的通讯作者兼教授Kaoru Ohno说。

Ohno和材料科学研究所的合着者表示，该方法可用于预测合金的机械强度，因为可以很容易地计算局部力分布以及微观结构。

作者提出的方法也可用于预测多组分合金或由两种以上金属组成的合金的微观结构。“这些研究突出了迄今为止仅基于经验观察证明的钢和其他合金的基本性质。因此，所提出的方法是一种强大的理论工具，可以快速预测最合适的合金，可以实现所需的强度，韧性，延展性，可塑性，轻盈等，尽可能地，“大野补充说。

在未来中，作者打算应用的方法进行各种钢材料和其他多元合金，以预测它们的初始组合物的微观结构和局部应力分布的依赖性和更好地理解它们的特性。

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