Japanse onderzoekers waren in staat om snel en nauwkeurig de microstructuur te voorspellen van nikkel-aluminium (Ni-Al) legeringen die vaak worden gebruikt bij het ontwerp van turbineonderdelen voor straalmotoren. Voorspellingen van de microstructuur van deze legeringen zijn tot dusver tijdrovend en duur geweest. De bevindingen hebben het potentieel om het ontwerp van materialen - bestaande uit een reeks verschillende legeringen - die worden gebruikt om producten te maken in verschillende industriële sectoren, aanzienlijk te verbeteren.

Legeringen zijn duurzame materialen die uit twee of meer metalen bestaan. De huidige hoge kosten en ontwerpbeperkingen van traditionele productieprocessen van legeringen hebben geleid tot de noodzaak om efficiëntere ontwerpmethoden te creëren. Een belangrijke uitdaging was het nauwkeurig voorspellen van de microstructuur van een legering (de zeer kleinschalige structuur die alleen zichtbaar is met een microscoop), die een grote invloed kan hebben op fysieke eigenschappen zoals sterkte, taaiheid, weerstand tegen corrosie, hardheid en/of slijtvastheid.

De auteurs waren in staat om legeringsmicrostructuren te voorspellen met behulp van de "first-principle phase field-methode". Deze procedure voorspelt de microstructuur van legeringen op basis van alleen de fundamentele wetten van de fysica (eerste principes) en gebruikt die parameters vervolgens om microstructuurformaties te modelleren (faseveld). Dit is in strijd met empirische modellering, of voorspellingen die alleen op experimenten of eerdere waarnemingen zijn gebaseerd. Verder, de onderzoekers voerden hun modelleringsexperimenten uit onder hoge temperaturen die lijken op die van straalmotorturbines (~ 1027 ^O C).

Het onderzoek is gepubliceerd in Natuurcommunicatie op 1 aug. 2019.

De zoektocht naar nieuwe materialen met gewenste eigenschappen vereist microstructuurengineering van materialen op basis van het veranderen van verschillende variabelen, zoals compositie, morfologie, druk, temperatuur, doping, gieten en smeden.

Een betrouwbare simulatietechniek die kan helpen bij het ontwerpen en produceren van nieuwe materialen op basis van alleen een theoretisch principe, zou de productie sneller en goedkoper kunnen maken. Echter, de meeste van de huidige theorieën over materiaalontwerp zijn fenomenologisch en afgeleid van experimentele observaties en empirische ervaringen. Deze zijn zowel tijdrovend als duur.

Wat de eerste-principes-faseveldmethode zo voordelig maakt, volgens de auteurs is dat het een brug slaat tussen de nauwkeurige kleinschalige (eerste principes) berekeningen en het grootschalige (faseveld) model door de renormalisatietheorie, een concept in de natuurkunde dat in wezen oneindige vrijheidsgraden eindig maakt, of continue variabelen discreet. Met andere woorden, door hun methode te gebruiken, ze waren in staat om tijdrovende en dure experimentele procedures te overwinnen en toch materialen te produceren die in overeenstemming waren met experimentele methoden.

"Eerste principes faseveldmethode werd uitgevonden als 's werelds eerste innovatieve multischaalsimulatietechniek. Met behulp van deze methode, we waren in staat om complexe microstructuren van alle samenstellingen van Ni-Al-legeringen met succes te voorspellen vanuit de eerste beginselen (basiswetten van de fysica) zonder enige empirische parameter te gebruiken, en onze resultaten komen redelijk goed overeen met experimenten, " zegt Kaoru Ohno, corresponderende auteur en professor aan de Yokohama National University.

Ohno en co-auteurs van het National Institute for Materials Science in Japan zeggen dat de methode kan worden gebruikt om de mechanische sterkte van legeringen te voorspellen, omdat zowel de lokale krachtverdelingen als de microstructuren gemakkelijk kunnen worden berekend.

De methode die de auteurs presenteren kan ook worden gebruikt om microstructuren van legeringen met meerdere componenten te voorspellen, of legeringen die uit meer dan twee metalen bestaan. "Deze studies benadrukken de fundamentele aard van staal en andere legeringen die tot nu toe alleen zijn aangetoond op basis van empirische waarnemingen. Als zodanig is de voorgestelde methode is een krachtig theoretisch hulpmiddel om snel de meest geschikte legering te voorspellen die de gewenste sterkte kan realiseren, taaiheid, ductiliteit, plasticiteit, lichtheid, enz. zoveel mogelijk, ", voegt Ohno toe.

In de toekomst, de auteurs zijn van plan de methode toe te passen op verschillende staalmaterialen en andere legeringen met meerdere componenten om de afhankelijkheid van microstructuren en lokale spanningsverdelingen van hun oorspronkelijke samenstelling te voorspellen en hun kenmerken beter te begrijpen.