КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 25-22-00419
НазваниеИсследование фазового равновесия тройных сплавов Ti-Al-X с использованием машинно-обученных потенциалов межатомного взаимодействия
Руководитель Петрик Михаил Владимирович, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук , Свердловская обл
Конкурс №102 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-208 - Металлы. Сплавы. Неупорядоченные структуры
Ключевые слова Фазовое равновесие; сплавы Ti-Al-X; микроструктура; машинное обучение; молекулярная динамика; первопринципные расчеты; термодинамические характеристики; колебательная энтропия; разработка материалов; высокопрочные материалы.
Код ГРНТИ29.19.15
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Ожидаемые результаты
Главным результатом выполнения планируемых работ будет разработка теоретических представлений о фазовом равновесии и формировании микроструктуры в сплавах, демонстрирующих неклассический механизм распада и их приложение к системе Ti-(Al,X).
Научная значимость:
Сплавы Ti-(AlX) имеют важное прикладное значение для аэрокосмической отрасли. Для достижения требуемых свойств необходимо целенаправленное формирование в них определенной микроструктуры, осуществляемое путем выбора химического состава и режима термообработки. Поэтому разработка теоретических представлений о фазовом равновесии и формировании микроструктуры в сплавах Ti-(Al,X) имеет как фундаментальное, так и практическое значение.
Рассматриваемые сплавы демонстрируют неклассический механизм превращения, при котором стадия однородного упорядочения, предшествует образованию выделений. Кроме того, в сплавах этой системы существенную роль играют как многочастичные взаимодействия, так и колебательная энтропия. Поэтому учет этих вкладов является необходимым для корректного описания фазового равновесия и кинетики превращения.
В настоящем проекте впервые, основываясь на результатах первопринципных расчётов и атомистического моделирования с машинно-обученными потенциалами будут рассчитаны все необходимые вклады в свободную энергию сплавов, включая конфигурационный вклад и колебательную энтропию. Полученное свободная энергия будет использована для моделирования фазового равновесия и формирование структуры двойных и тройных сплавах системы Ti-(Al,X). Результаты исследования будут способствовать разработке новых титановых сплавов с улучшенными эксплуатационными свойствами
Ожидаемые результаты:
1. Свободная энергия:
• Все вклады в свободную энергию сплава, включая колебательную энтропию, будут определены с использованием первопринципных расчетов и ML потенциалов.
• Рассчитанная свободная энергия будет использована для построения фазовых диаграмм сплавов системы Ti-(Al,X) в важных температурных и концентрационных диапазонах.
• Будет исследовано влияние легирующих элементов на фазовое равновесие в системе Ti-(Al,X).
2. Атомистическое моделирование:
• Исследование процессов распада и упорядочения в системе Ti-(Al,X) методами атомистического моделирования с использованием рассчитанных энергий эффективных кластерных взаимодействий.
• Определение условий формирования (мета)стабильных структур, обеспечивающих требуемые свойства рассматриваемых сплавов.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В отчётном периоде выполнен комплекс теоретических исследований, направленных на разработку и верификацию машинно-обучённых межатомных потенциалов и построение согласованного термодинамического описания систем Ti–Al и Ti–Al–X (X = Zr, Si) в широком диапазоне температур и составов.
На первом этапе выполнены первопринципные расчёты и построены ML-потенциалы для чистых титана и алюминия, которые использовались в качестве базовых систем для последующего моделирования двойных и тройных сплавов. Показано, что качество воспроизведения плотностей, энтальпий и температур плавления критически зависит от параметров ab initio-референса, включая плотность интеграционной сетки и выбор обменно-корреляционного функционала. Для алюминия дополнительно проанализировано влияние выборки k-точек, продемонстрировавшее чувствительность высокотемпературных термодинамических свойств к точности описания фононного спектра.
Для системы Ti–Al разработана серия ML-потенциалов на основе MACE-датасетов, включающих конфигурации жидкой и твёрдой фаз. Выполнена валидация потенциалов по температурной зависимости плотности, энтальпии смешения и температурам плавления. Установлено, что корректное описание химической энергетики расплавов Ti–Al и связанных с ней температур фазовых переходов достигается только при использовании ab initio-данных уровня мета-GGA r2SCAN, тогда как модели, основанные на GGA–PBE, демонстрируют систематические отклонения. Добавление кристаллических конфигураций в обучающие выборки улучшает описание плотности и структурных характеристик, но не компенсирует ограничения функционала PBE.
В рамках работ по тройным системам Ti–Al–X выполнены первопринципные расчёты эффективных парных, тройных и четверных кластерных взаимодействий примесных атомов в гексагональной решётке титана. Показано, что вклад многочастичных взаимодействий в ряде конфигураций сопоставим с парными членами и должен учитываться при параметризации свободной энергии и моделировании процессов упорядочения.
Рассчитаны фононные спектры и плотности колебательных состояний для чистого hcp-Ti, упорядоченной фазы Ti₃Al-D0₁₉ и конфигураций с частичным нарушением порядка. Подтверждена динамическая устойчивость всех рассмотренных структур и корректное воспроизведение характерных частотных диапазонов в сопоставлении с литературными данными. На основе фононных расчётов получены вибрационные вклады в свободную энергию и проанализировано их влияние на термодинамическую устойчивость фаз.
На базе полученных энергетических и фононных данных сформирована термодинамическая модель системы Ti–Al, включающая конфигурационные, вибрационные и энтропийные вклады. Рассчитаны линии фазового равновесия (бинодали и спинодали) с использованием нескольких взаимодополняющих подходов. Показано, что учёт вибрационной энтропии и многочастичных взаимодействий принципиально влияет на положение фазовых границ и необходим для согласования модели с экспериментальными данными.
Полученные результаты создают целостную основу для последующего построения фазовых диаграмм систем Ti–Al–X, моделирования процессов упорядочения и распада, а также для применения ML-потенциалов в задачах термодинамического интегрирования и кинетического моделирования.
Публикации
1. Закирьянов Д.О., Петрик М.В. Роль плотности k-сетки обучающего набора в точности машинно-обученных потенциалов алюминия: термодинамические и макроскопические свойства Физика металлов и металловедение (год публикации - 2026)