Al-CuおよびAl-Mg-Si合金におけるGPゾーン・ナノクラスタ形成過程および形状決定因子に対する数値解析

Elucidation of the formation process and shape determining factors of GP zones and nanoclusters in Al-Cu and Al-Mg-Si alloys

東海林 瑞希*; 栗原 健輔*; Lobzenko, I.   ; 都留 智仁   ; 芹澤 愛*

Shoji, Mizuki*; Kurihara, Kensuke*; Lobzenko, I.; Tsuru, Tomohito; Serizawa, Ai*

Al-Cu合金では時効処理中に板状のGuinier-Preston (GP)ゾーンが形成されるのに対し、Al-Mg-Si合金では時効処理の初期段階で球状のナノクラスタが形成される。よく知られたAl-CuのGP(I)ゾーンとは異なり、Al-Mg-Siのナノクラスタ内に特定の構成は存在しない。しかし、溶質濃度と局所的な配置がその後の析出物形成に決定的な役割を果たすはずである。本研究では、Al-Cu合金とAl-Mg-Si合金におけるGPゾーンとクラスタの形成過程における安定な形状を決定する因子を第一原理計算と機械学習ポテンシャルを用いて評価した。Al-Cuの三体結合の形成エネルギーは、結合角90のCu-Cu-Cu三重項が最も安定であった。実際に、機械学習ポテンシャルを用いたモンテカルロ(MC)シミュレーションを行った結果、結合角90で形成されるCu原子の偏析がより多く観測された。一方、Al-Mg-Si合金の3体クラスタは、特定の方向異方性がなく結合角度が60のときが最も安定であり、その結果、MC計算で球状のナノクラスタの形成が確認された。これらの結果は、局所的な結合の安定性という本質的な特徴が、GPゾーンとナノクラスタの形状を支配することを示している。

While Plate-like Guinier-Preston (GP) zones are formed during aging process in Al-Cu alloys, spherical nanocluster formation occurs in the early stage of aging in Al-Mg-Si alloys. Unlike well-known GP (I) zone in Al-Cu, there is no specific configurations within the nanocluster. However, the solute concentration and local configuration should play decisive role in subsequent formation of precipitations. In the present study, the first-principles calculations were performed to investigate the factors determining the stable shape during the formation process of GP zones and clusters in Al-Cu and Al-Mg-Si alloys. As a result of formation energy of three-body bonds, the Cu-Cu-Cu triplet with the bond angle of 90deg was the most stable. Monte Carlo simulations with newly developed machine-learning potential were then performed, and consequently the segregation of Cu atom formed with bond angle of 90deg are observed more frequently. In contrast, three-body triplet in Al-Mg-Si alloy was most stable without any specific directional anisotropy, when the bond angle was 60deg, resulting in the formation of spherical nanoclusters. These results suggest that the intrinsic feature of the stability of local bonding dominates the shape of GP zones and nanoclusters, in which planar- or spherical-like cluster is formed.