Effects of Al addition on Vickers hardness increase by thermal aging of Fe-Cr-Al alloys; Evaluation by systematic experiments, machine learning modeling, and first-principles calculations

熱時効によるFe-Cr-Al合金のビッカース硬さ増加に対するAl添加の影響; 系統的実験、機械学習モデリング、及び第一原理計算による評価

阿部 陽介  ; 都留 智仁   ; 藤田 洋平*; 大友 政秀*; 佐々木 泰祐*; 山下 真一郎   ; 大久保 成彰   ; 鵜飼 重治  

Abe, Yosuke; Tsuru, Tomohito; Fujita, Yohei*; Otomo, Masahide*; Sasaki, Taisuke*; Yamashita, Shinichiro; Okubo, Nariaki; Ukai, Shigeharu

軽水炉の事故耐性燃料被覆管用として開発中の酸化物分散強化型Fe-Cr-Al合金では、Crリッチ析出物(相)に起因する脆化挙動の解明と予測が課題となっている。我々は、熱時効によるFe-Cr-Alモデル合金における相の形成に対するAl添加の影響を調査した。ビッカース硬さ試験と過去の研究のデータベースを用いて作成した機械学習モデルにより、低Al添加合金では相の形成が促進され、高Al添加合金では抑制されることが示された。第一原理計算では、Cr-Al-空孔複合体はCr-Cr対よりも安定であり、相の核生成時にAl原子を取り込むことがエネルギー的に有利である可能性があることが示された。一方、Al-Al対の形成は非常に不安定である。Al添加量が少ない場合には、相の界面付近でのAl-Al対の形成は回避できる。しかし、Al添加量が多量の場合には、Al-Al対の形成が避けられなくなり、相の不安定化につながることが示唆された。

We investigated the effect of Al addition on the formation of phase in Fe-Cr-Al model alloys by thermal aging. The Vickers hardness tests and a machine learning model indicate that the formation of the phase is promoted by low Al additions and suppressed by high Al additions. First-principles calculations, which indicate that Cr-Al-vacancy pairs are more stable than Cr-Cr pairs and that including Al atoms during phase nucleation may be energetically advantageous. On the other hand, the formation of Al-Al pairs was very unstable. The formation of Al-Al pairs near the interface can be avoided when the amount of Al addition is small. However, it is inevitable when the amount of Al addition is significant, leading to the instability of the phase.