構造材料データベースの自動×超高速生成システムの開発に成功〜大規模データセット構築を7年から”13日”に。超合金の開発加速に期待〜

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2025-07-07 物質・材料研究機構

NIMSは、航空機エンジン用超合金(Ni–Co基γ/γ′超合金)において、プロセス・構造・特性データを13日間で取得可能な自動・超高速評価システムの開発に成功しました。従来ではデータ取得に約7年かかっていた大規模実験データベースを、温度傾斜炉による単一サンプル上での多温度熱処理と、走査型電子顕微鏡&ナノインデンテーションの自動連携による解析で一挙に取得。Pythonによる自動評価・後処理も組み合わせ、データ駆動型材料設計の飛躍的加速を示しました。本成果は国際誌「Materials & Design」に掲載され、今後はクリープ特性や材料平衡図構築にも展開され、カーボンニュートラル対応超合金開発への貢献が期待されます。

構造材料データベースの自動×超高速生成システムの開発に成功〜大規模データセット構築を7年から”13日”に。超合金の開発加速に期待〜
図: 構造材料データベースの自動×超高速生成システムの概略

<関連情報>

構造材料のハイスループットなプロセス-構造-物性データセット生成のための自動化システム: γ/γ′超合金のケーススタディ Automated system for high-throughput process-structure-property dataset generation of structural materials: A γ/γ′ superalloy case study

Thomas Hoefler, Ayako Ikeda, Toshio Osada, Toru Hara, Kyoko Kawagishi, Takahito Ohmura
Materials & Design  Available online: 20 June 2025
DOI:https://doi.org/10.1016/j.matdes.2025.114279

Highlights

  • 2400 points on a gradient sample give a Process-Structure-Property dataset in days.
  • Aging process kinetics of a γ/γ′ superalloy are examined at 220 temperatures.
  • The geometry of nearly a million γ′ precipitates is evaluated by image analysis.
  • Stress/strain curves are gathered from nanoindentation and SEM topographic scanning.

Abstract

We present an automated high-throughput method capable of gathering 2400 data points relating processing conditions, microstructure geometry and yield strength in just 13 days. An estimated 200 times faster than conventional methods using tensile testing specimens, a complete Process-Structure-Property (P-S-P) dataset is created from a single sample. The method is demonstrated by example of the aging heat treatment process of a γ/γ′ superalloy. By aging the sample in a temperature gradient, a wide range of aging process temperatures is mapped over the sample length. Structure analysis consists of fully automated, nanometer-resolution FE-SEM scanning, with precipitate fraction, size and shape distributions determined by automatic image analysis using the Python programming language. Mechanical properties are evaluated by nanoindentation inverse analysis, an approach combining instrumented indentation data with pile-up analysis to calculate stress/strain curves. While the necessary topographic data is typically acquired using atomic force microscopy, a significant speedup was achieved by automatic indent detection and scanning using Angular selective Backscatter FE-SEM analysis. As a method to rapidly assemble comprehensive and consistent P-S-P datasets, we expect it to facilitate efficient alloy design, given a vast majority of modeling approaches still heavily rely on empirical data.

0705金属加工
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