合金の粒界での析出物の成長の安定化

材料は 1 つの相であると考えられることがよくありますが、多くのエンジニアリング材料には 2 つ以上の相が含まれており、その特性と性能が向上しています。 これらの二相材料には、微細構造に埋め込まれた沈殿物と呼ばれる含有物があります。 2 種類以上の金属を組み合わせた合金は、埋め込まれた析出物により非常に優れた機械的特性を備えているため、ジェット エンジン用のタービンや自動車用途の軽量合金など、多くの用途に使用されています。 しかし、平均析出物サイズは、粗大化と呼ばれるプロセスで時間の経過とともに増加する傾向があり、その結果、ナノスケールの析出物を含む微細構造の性能が低下します。

イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の研究者新しい経路を特定した合金中のナノスケールの析出物を安定化します。 新しい研究で、材料科学工学教授のパスカル・ベロン氏、博士研究員ガブリエル・ブオブダ・モラジェ氏とその共同研究者らは、非平衡プロセスを利用して析出物の粗大化を阻止し、その結果安定したナノ構造が得られることを示した。

この研究結果は最近、Physical Review Letters に掲載されました。

「過去 20 年間で、研究者たちは、構造内にナノスケールの介在物があると、実際に材料にとって非常に有益である可能性があることに気づきました」とベロン氏は言います。 「課題は、これらの小さな粒子が自発的に大きくなろうとすることです。」

パスタを作るのと同じように考えてください。沸騰したお湯に油を加えるとき、最初に加えてかき混ぜたときの油の滴は小さいかもしれませんが、かき混ぜを止めると、油滴は一緒になって大きな油滴を形成します。 これが粗大化プロセスです。 「小規模な物体の分布に興味がある場合、物体が粗大化するこの自然な傾向に対抗する必要があります」とベロン氏は説明します。

研究チームは計算モデリングを使用して、非平衡力である照射を受けたときに、材料の異なる結晶間のドメイン（粒界と呼ばれる）に形成される析出物を調査した。 平衡環境では、力は平衡しており、材料に対する最終的な変化はありません。 しかし、ほとんどの用途では、硬質材料は照射や撹拌などの非平衡力にさらされます。 したがって、そのような非平衡環境で析出物がどのように進化するかを理解することが重要です。

「私たちは、高エネルギー粒子照射を受けた合金に特に興味を持っていました」とベロン氏は言います。 「これは、例えば核用途に使用される材料で起こる状況です。 宇宙線が当たる宇宙で使用される材料も同様です。 私たちが特に注目していたのは、アルミニウムとアンチモンの合金モデルでした。」

アルミニウムとアンチモンの合金では、油が水中で液滴を形成しようとするのと同様に、アンチモンは沈殿物を形成しようとします。 研究者らは、照射されると予想通り結晶粒界に析出物が形成されることを発見した。 しかし、彼らはまた、沈殿物が粗大化して成長し続けるのではなく、一定のサイズに達して停止することも発見しました。 これは逮捕粗暴化行動と呼ばれるもので、予期せぬ結果でした。

このアプローチは、電池の電極間のイオン種の輸送など、種の輸送が重要な役割を果たす他の材料システムに適用できる可能性があります。 電池材料では、大きな析出物は材料に大きな応力を発生させる可能性があるため、析出物が小さい方が有利な場合があります。 このような場合には、粗大化を抑制することが有益である。

この計算による研究に続いて、ベロン氏は、UIUC MatSE 教授のロバート・アヴァーバック氏とマリー・シャルパーニュ氏とともに、最近発表された結果の実験的検証の検討を開始する予定です。 Bellon 氏は、「マテリアルズ リサーチ ラボラトリーのツールをすべて活用しながら、モデリング、理論、実験を組み合わせて、コンピューター シミュレーションからの予測を実験レベルでテストできることに興奮しています。」と述べています。