模拟技术可以预测喷气发动机用合金材料在制造前的微观结构

日本研究人员能够利用模拟技术快速准确地预测喷气发动机涡轮零件设计中常用的镍铝合金的微观结构。迄今为止，对这些合金微观结构的预测既费时又昂贵。这些发现有可能极大地推进材料的设计，这些材料由一系列不同的合金组成，用于在几个不同的工业部门制造产品。

合金是由两种或多种金属组成的耐用材料。当前传统合金制造工艺的高成本和设计限制推动了创造更有效设计方法的需求。一个关键的挑战是如何准确预测合金的微观结构(只有显微镜才能看到的非常小的结构)，这种微观结构可以极大地影响物理性能，例如强度、韧性、耐腐蚀性、硬度和/或耐磨性和抗撕裂性。

作者利用模拟技术“第一原理相场法”预测了合金的微观组织该程序仅基于物理基本定律(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的形成(相场)。这与经验建模或仅基于实验或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(约1027℃)的高温下进行了模拟实验。

这项研究发表在2019年8月1日的《自然通讯》上。

对具有理想性能的新材料的探索需要基于多种变量的材料微观结构工程，例如成分、形态、压力、温度、掺杂、铸造和锻造。

一种可靠的模拟技术，仅根据理论原理就能帮助设计和生产新材料，从而使生产更快、更便宜。然而，大多数当前的材料设计理论都是现象学的，并且是从实验观察和经验经验中得出的。这些既耗时又昂贵。

作者认为，使模拟技术第一原理相场法如此有利的是，它通过重正化理论连接了精确的小尺度(第一原理)计算和大尺度(相场)模型，重正化理论是物理学中的一个概念，它本质上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，他们能够克服耗时和昂贵的实验程序，并且仍然生产出与实验方法一致的材料。

“第一性原理相场法是作为世界上第一种创新的多尺度模拟技术而发明的。横滨国立大学的相应作者和教授Kaoru Ohno说:“使用这种方法，我们能够从第一性原理(物理学的基本定律)成功地预测镍铝合金的任何成分的复杂微观结构，而无需使用任何经验参数，我们的结果与实验非常一致。”。

日本国家材料科学研究所的Ohno和合著者说，这种方法可以用来预测合金的机械强度，因为局部力分布和微观结构可以很容易地利用模拟技术计算出来。

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。“这些研究突出了钢和其他合金的基本性质，迄今为止，这些性质仅在经验观察的基础上得到证实。因此，所提出的方法是快速预测能够实现所需强度、韧性、延展性、塑性、轻质等的最合适合金的强有力的理论工具。Ohno补充道。

未来，作者计划将该方法应用于各种钢材料和其他多组分合金，以预测微观组织和局部应力分布对其初始成分的依赖性，并更好地理解其特征。

这项研究得到了MEXT的支持，作为一个后知识时代的计算机项目(HPCI优先问题7E;项目标识:hp170268，hp180125)。

横滨国立大学(YNU或横垣)是一所日本国立大学，成立于1949年。YNU利用其教师的广泛专业知识为学生提供实践教育，并促进与国际社会的交往。YNU在实际应用科学学术研究方面的优势导致了高影响力的出版物，并为国际科学研究和全球社会做出了贡献。

NIMS于2001年4月从两个国家研究所----国家金属研究所和国家无机材料研究所----合并，并于2016年被提升为指定的国家研究和发展研究所，作为一个以最高全球标准产生R&D成果的研究所，NIMS致力于研究和开发满足社会需求的材料，以减轻环境负担和能源负荷，并建立安全可靠的社会基础设施，目的是提高日本的材料科学技术标准。
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