トップジャーナル「PRL」：金属3Dプリント微細構造を予測できるフェーズフィールドモデル！

出典: 材料科学と工学

金属 3D プリントとも呼ばれる金属付加製造は、製造業界に大きな変化をもたらす可能性を秘めた重要な技術です。 3次元デジタルモデルを通じて金属部品の高速、高精度、柔軟な製造を実現し、製造効率を大幅に向上させ、航空宇宙、自動車、エネルギー、化学、製薬などの分野に大きな影響を与えます。この技術に関係する重要な物理現象は、合金の急速凝固です。従来の製造技術に伴うゆっくりとした凝固とは異なり、急速凝固中の金属の固液界面は、固液界面の移動速度が極めて速く、温度勾配が大きいなど、平衡からかけ離れた極端な状態にあります。このような極端な凝固条件下では、溶質の捕捉や溶質の引きずりなどの非平衡効果が凝固後の金属材料の微細構造に大きな影響を与え、材料の機械的特性に影響を与えます。しかし、急速凝固条件下での金属の微細構造形成メカニズムに関する理論的研究は極めて不足しており、これが材料の微細構造を制御する能力を大きく制限し、金属積層造形のさらなる発展を制限しています。このような状況下では、金属の急速凝固に適した理論計算モデルの開発が特に重要です。

最近、権威ある国際物理学誌「Physical Review Letters」に、ノースイースタン大学とコロラド鉱山大学の研究者らが提案したフェーズフィールドモデルが掲載されました。このモデルは、平衡から遠い条件下での合金凝固の微細構造を予測するために使用できます。このモデルは、金属積層造形に関連する凝固条件下で、溶質の捕捉や溶質の引きずりなど、固液界面の非平衡効果を定量的に復元します。著者らはこのモデルを使用して計算シミュレーションを実行し、界面速度が絶対安定限界に近づくと、溶質トラッピングによって樹状突起構造の先端に動的不安定性が生じることを発見しました。シミュレーションでは、実験で広く観察される縞状の微細構造も再現され、この動的不安定性が樹状突起構造と微小凝集のない構造の間の遷移をどのように引き起こすかが明らかにされています。シミュレーションによって予測された縞状の微細構造の間隔は、Al-Cu 膜の凝固実験からの観察結果と一致しています。この研究は、ノースイースタン大学のKaihua Ji（第一著者）、Elaheh Dorari、コロラド鉱山大学のAmy J. Clarke特別教授、ノースイースタン大学のAlain Karma特別教授（責任著者）が共同で完成しました。

論文リンク: https://journals.aps.org/prl/abs ... sRevLett.130.026203

本論文では、まず提案されたフェーズフィールドモデルを用いて凝固過程における非平衡効果を定量的に復元し、界面幅の増大によって引き起こされる非物理的効果を界面範囲内での溶質拡散率を高めることによって補償するという新しいアイデアを提案した。著者らは、固体と液体の界面の幅を広げても（5ナノメートル）、物理界面スケール（約1ナノメートル）での非平衡効果を定量的に回復できることを実証しました。これにより、モデルの計算効率が3桁向上し、2次元または3次元での定量的な位相場シミュレーションが可能になります。モデルの収束を証明した後、著者らはモデルを数値計算に使用し、樹状突起構造の先端に新たな動的不安定性を発見しました。凝固条件が低い場合、金属材料の微細構造は通常、樹枝状結晶になります。凝固速度が絶対安定限界近くまで増加すると、デンドライトは振動し始め、不安定になります。最終的に樹状突起を不安定にするのは、著者らが「成長先端不安定性」と呼ぶ新しいメカニズムである。凝固速度が増加し続けると、この動的不安定性により、樹枝状凝固とミクロ偏析のない凝固の間の遷移が引き起こされます。

図 1. (a) 界面速度が絶対安定限界に近づいたときの先端不安定性の増大。 (b) 液体側の界面速度と溶質濃度の振動。
急速凝固実験では、固液界面に平行に明暗の縞模様の微細構造が交互に現れる様子が広く観察されていますが、その形成メカニズムは明らかではありません。暗い帯は樹枝状構造を持ちますが、明るい帯には微視的な凝集構造はありません。著者らは、この現象を初めて計算シミュレーションで定量的に再現し、明るい帯の割合が凝固速度とともに増加することを示した。これは実験観察と一致しています。計算シミュレーションにおける界面温度と速度は周期的な振動を示し、リボン状の微細構造の形成につながります。

図2 (a)-(d) 異なる界面速度における縞状の微細構造。 (e) 界面速度と温度の周期的な振動。
著者らはさらに、凝固中の潜熱拡散を考慮し、縞状微細構造の間隔を正確に予測する上でその重要性を説明しています。潜熱拡散効果を考慮したフェーズフィールドシミュレーションでは、予測された縞状の微細構造間隔は、急速凝固 Al-Cu 膜の実験での観察結果と一致しています。この結果は、フェーズフィールドモデルの精度をさらに証明しています。

図3. (a) Al-Cu膜の凝固実験中に観察された縞状の微細構造。 (b) 潜熱拡散効果を考慮したフェーズフィールドシミュレーション。
さらに、著者は論文の中で全変分位相場モデルを提案した。金属凝固のシミュレーションに使用される従来の非変分フェーズフィールドモデルとは異なり、全変分フェーズフィールドモデルは、多相および多元素合金システムなどの複雑な合金システムに簡単に拡張できます。したがって、このフェーズフィールドモデルは非常に幅広い応用の見通しを持っています。

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