First-principles-based equilibrium Monte Carlo simulations of Cr-rich cluster stability in Fe-Cr-Al alloys; Effects of Al content and vacancies on the transition from promotion to suppression

第一原理に基づく平衡モンテカルロ法によるFe-Cr-Al合金中Crリッチ析出物の安定性解析; Al添加量と空孔による析出促進から抑制への転移

阿部 陽介  ; 久保 淳; 鵜飼 重治  ; 都留 智仁   

Abe, Yosuke; Kubo, Atsushi; Ukai, Shigeharu; Tsuru, Tomohito

Crリッチ析出物(CrRP)の安定性は、耐照射性に優れた酸化物分散強化型Fe-Cr-Al合金の開発において重要な要素である。本研究では、第一原理に基づく平衡モンテカルロシミュレーションを用いて、Al添加量および照射下で重要な空孔がCrRPの形成と原子構造に与える影響を評価した。CrRPの形成はAl添加量に対して非単調な挙動を示し、約12at.%で最大化された。Al添加量が増加すると、CrRP内部への侵入が進み、構造的な乱れと安定性の低下を引き起こすことが分かった。空孔は単独ではCrRP形成に大きな影響を及ぼさないが、Alと共にCrRP界面近傍に偏析することで界面安定性に影響を与える可能性を示した。これらの知見は、Fe-Cr-Al合金の最適設計やメゾスケールモデリングに資する原子レベルの基礎情報を提供する。

Understanding the stability of Cr-rich precipitates (CrRPs) is key to developing radiation-resistant ODS Fe-Cr-Al alloys. This study uses first-principles-based equilibrium Monte Carlo simulations to assess how Al content and irradiation-induced vacancies affect CrRP formation and atomic-scale structure. CrRP formation peaks at around 12 at.% Al, showing a non-monotonic trend. Higher Al levels cause segregation at CrRP-matrix interfaces and internal Al incorporation, leading to structural disorder and reduced stability. Vacancies alone have limited impact but co-segregate with Al near interfaces, potentially affecting diffusion and interfacial integrity under irradiation. These findings provide atomic-level insights for designing advanced Fe-Cr-Al alloys and guiding mesoscale modeling.