持続可能性のための合金設計：課題と機会

本紹介資料は、「Elsevier」によって発行された論文「Sustainability through Alloy Design: Challenges and Opportunities」に基づいています。

1. 概要：

• タイトル: Sustainability through Alloy Design: Challenges and Opportunities (持続可能性のための合金設計：課題と機会)
• 著者: Jaclyn L. Cann, Anthony De Luca, David C. Dunand, David Dye, Daniel B. Miracle, Hyun Seok Oh, Elsa A. Olivetti, Tresa M. Pollock, Warren J. Poole, Rui Yang, C. Cem Tasan
• 発行年: 2020
• 発行学術誌/学会: Elsevier
• キーワード: Steel, Aluminum, Titanium, Magnesium, Superalloys, Shape memory alloys, High entropy alloys, Metallurgy, Sustainability (鋼、アルミニウム、チタン、マグネシウム、超合金、形状記憶合金、高エントロピー合金、冶金学、持続可能性)

2. 抄録：

過去数十年の刺激的な冶金学的ブレークスルー、そして金属研究のための新しくより高性能な実験的および理論的ツールの開発と広範な利用可能性は、私たちが金属設計の新時代の幕開けを目の当たりにしていることを示しています。歴史的に、新しい金属材料の発見は、人類史における主要な工学的進歩の大部分を可能にしてきました。
現在の工学的課題は、私たちの存在に不可欠な複数の産業における技術的進歩をさらに進めるために、新しい金属材料に対する緊急の必要性を生み出しています。しかし、金属加工に関する現在のデータは、冶金産業が私たちの惑星の未来に与える重大な環境影響を明確に示しています。この影響と対応する加工ソリューションが議論されている多数の報告があります。一方、改善された特性の組み合わせを持つ新しい金属材料の設計は、様々な方法で主要な環境課題に対処するのに役立ちます。この目的のために、本レビューの目標は、合金設計によって対処できる最も緊急な持続可能性の課題を議論し、これらの最も重要な課題に焦点を当てるために冶金研究への関心の高まりを調整するのを助けることです。

3. 序論：

金属の世界的な使用は増加しており[1]、その生産による負担が増大し、金属の持続可能性への取り組みの緊急性を浮き彫りにしています[2]。これには、鉱石採掘、金属加工、製品使用、および寿命末期の考慮事項からの影響を考慮したライフサイクル視点が必要です[3]。合金設計は、例えば、より高い動作温度を可能にして熱力学的効率を高めたり、可動部品の質量を削減したり（車両のように、より高い生産負担を使用段階の燃料節約で相殺する[4–7]）、代替エネルギー生成に向けたより高い機能性を持つ製品を作成したりすることによって、大きく貢献できます。

全体的な金属使用量は増加していますが、一部の有毒金属（Cd、Pb）の消費量は時間の経過とともに減少または安定しています[8]。ただし、これらの金属の供給は、本レビューの基礎となる金属の鉱石採掘の副産物として持続する可能性があります[9]。金属生産、特に一次生産（世界のエネルギー消費の7〜8％を使用）は、エネルギー消費、温室効果ガス排出（例：鉄鋼およびMg生産におけるCO2）、採掘の影響（健康、景観、廃棄物、水使用）、および使用中の放出（腐食）を通じて環境に大きな影響を与えます[10]。鉄鋼は体積で最も大きな影響を与えます。キログラムあたりの影響が大きい金属には、微量元素（Sc、Re、Ge）が含まれ、Fe、Al、Cuは年間の地球温暖化ポテンシャルに最も貢献します[11]。

合金（例：超合金）における元素の多様性の増加は特性を向上させますが、寿命末期の回収とリサイクルを複雑にします[12, 13]。リサイクルは、熱力学、元素の適合性（Table 1）、および回収が行われるインフラストラクチャによって制限されます[14]。これは、組成的に複雑な合金（CCA）にとって課題となります[15]。資源の利用可能性と材料の重要性も懸念事項であり、特に政治的に不安定な地域に集中している元素（Figure 1）や副産物として採掘される元素についてです[16–20]。

持続可能性を高める機会は、製造効率の向上（例：鉄鋼で25％、Alで40％の歩留まり損失削減 - Figure 2）[21, 22]、潜在的には積層造形[23]を通じて存在します。しかし、最大の機会は、特に鉄鋼のようなユビキタスな材料について、耐久性、信頼性、修復可能性、および再利用性の向上を通じて寿命延長を可能にする合金の設計にあるかもしれません[24]。本レビューは、様々な合金システムにわたる持続可能性を促進するための重要な課題と有望な機会を強調し、環境的、政治的、経済的要因を考慮に入れることに焦点を当てています。

4. 研究の概要：

研究トピックの背景：

金属需要の増加は、その生産と使用に伴う著しい環境フットプリント（世界のエネルギー消費の7-8%、排出物、資源枯渇）と相まって、冶金産業内での持続可能な解決策に対する緊急の必要性を生み出しています。材料のライフサイクル全体にわたる特性と性能に影響を与える合金設計は、これらの持続可能性の課題に対処するための重要な道筋を示しています。

先行研究の状況：

プロセス改善（例：生産効率[26, 27]、リサイクル[28, 29]、CO2削減[26, 30]、代替生産[26, 34]）を通じた持続可能性改善に関する広範な研究が存在します。環境影響を評価するためのライフサイクルアセスメント手法[3]が確立されています。様々な金属ファミリー内の特定の合金開発努力は、強度、耐熱性、耐久性などの改善された特性を目標としてきました。研究はまた、複雑な合金のリサイクルに関連する課題[13, 14, Table 1]、資源の重要性[16, 17, Figure 1]、および生産影響と使用段階の利点との間のトレードオフ（例：軽量化[7]）を強調しています。計算ツール（DFT、CALPHAD、ICME）は合金開発でますます使用されています。

研究の目的：

本レビューは、戦略的な合金設計を通じて効果的に対処できる最も重要な持続可能性の課題を特定し、議論することを目的としています。7つの主要な合金システム（鋼、アルミニウム、チタン、マグネシウム、超合金、形状記憶合金、高エントロピー/複合濃縮合金）にわたる主要な機会を調査し、肯定的な環境影響を最大化するための将来の冶金研究の方向性を示します。焦点は、持続可能性目標の達成において、プロセス改善だけでなく合金設計の役割に具体的に当てられています。

コア研究：

本レビューは、7つのクラスの金属材料に関する持続可能性の課題と合金設計ソリューションを検討します：

1. 鋼 (Steels):
   • 課題: 最大の生産量、著しい環境影響[21, 25]、強度/延性のバランス、AHSSにおける損傷感受性、リサイクルの制限（Cu汚染[67]）、寿命制限（摩耗、疲労、水素脆化[HE]）。
   • 解決策: 「より少なく、より長く、より多くを行う」鋼の設計。
     • より多く: 改善された強度-延性のための先進高強度鋼（AHSS - DP[36]、TRIP[37]、TWIP[38]、第3世代[41-43]）、損傷メカニズムのより良い理解が必要[44-64]。
     • より少なく: 再利用/再成形促進[65, 66]、密度削減による軽量化（例：Al合金化TRIPlex鋼[74, 75, Figure 3]）または弾性係数削減（複合材料[77]）。
     • より長く: 耐摩耗性向上（ナノベイナイト[78, 79]、TWIP[84]）、耐疲労性向上（ナノラミネート構造[80]）、HE耐性向上（オーステナイトナノフィルム[95, 96]、hcp ε-マルテンサイト設計[81, 98, 99]）。
2. アルミニウム合金 (Aluminum alloys):
   • 課題: 一次生産の高いエネルギー集約度[107]、高温（>220°C）での限られた耐荷重能力[104]。
   • 解決策: 高温用途向けの耐クリープ性合金の開発（輸送における軽量化[103]、送電[105]、熱交換器[106]）。主要戦略：熱的に安定で粗大化しにくいL12ナノ析出物（例：Al3Sc[108-120]、Al3Zr[121-126]、Al3Er[127, 128]）による析出強化。設計には、3元/4元添加（Zr、Er、REEs）によるコアシェル構造の形成[114, 130-138, Figure 4]、微量合金化/接種剤（Si、Zn、Ge、Sn、Sb）[139-145]、高価なScの置換[146-151]、耐火元素（Ti、Hf、V、Nb、Ta）の添加[152-156]、およびα-Al(Fe,Mn)Si相との二重析出[165-173, Figure 5]が含まれる。リサイクルは大幅なエネルギー節約（92％）を提供[107]。
3. チタン合金 (Titanium alloys):
   • 課題: エネルギー集約的な抽出（Krollプロセス[180]）、高コスト、新合金の認証困難（航空宇宙支配）。
   • 解決策: 安価な合金元素の使用（Vの代わりにFe[183, 184]）、スクラップ使用量の増加[182]、ニアネットシェイプ加工（AM[23]）によるコスト削減。既存合金の改善：
     • (α+β) 合金: 準安定相（ω[189, 191-193]、α″マルテンサイト[190, 196, Figure 6]、O′[197]、O″[198]）を用いてβからのα析出を制御することにより、階層的微細構造[185]を通じて強度/靭性バランスを向上。応力誘起α″は超弾性を可能にする[199-202]。
     • Near α 合金: 微細組織とすべり異方性（Moの役割、荷重分担[203-210, Figure 7]）を理解し制御することにより、低温保持疲労（cold dwell fatigue）[186]を軽減。
     • γ-TiAl 合金: 使用温度（>750°C[188]）で形成される有害な準安定相（β/B2、ω、O相[211-217]）を合金化（Zr、Mo）およびひずみ工学を通じて制御または排除することにより、動作温度を向上。
4. マグネシウム合金 (Magnesium alloys):
   • 課題: 低密度だが生産時の高いCO2排出量（Pidgeonプロセス[218, 223, Figure 8]）、低い耐食性[224]、構造材料としての相対的な未熟さ、HCP構造による複雑な挙動。
   • 解決策: 全体的なライフサイクル視点が重要。ICME[235]に基づいた合金設計：CALPHAD[225, 226]および拡散データ[227]の使用、凝固の理解[229-232]、圧延加工中の組織制御[234]、合金化（REs、Y、Ca、Mn、Zn、Al[236-242, Figure 9, Figure 10]）によるすべりの活性化による延性向上、変形/再結晶メカニズムの理解[243-258]、析出硬化[259-262]。
5. 超合金 (Superalloys):
   • 課題: 高圧タービンにおけるNi基合金の温度限界到達[263, 264, Figure 11]、高価/重要元素（Re）への依存。
   • 解決策: より高い融点材料の開発（SiC-SiC[266]、耐火合金[267-269]、Co基γ-γ'合金[270-273]）。Co基合金（L12 Co3(Al,W)析出[270, Figure 12]）の場合：計算ツール（積層欠陥エネルギー計算用DFT[287, Figure 13a]、CALPHAD[302-305]）を用いた広範な組成空間の探索、特異な変形メカニズム（SISF/SESFせん断[281, 282, 285, 286]）の理解、Wフリー[292-301]およびReフリー組成の開発、耐酸化性およびコーティング適合性の確保[311-315]。構成/劣化モデルの継続的な開発が必要[316]。
6. 形状記憶合金 (Shape Memory Alloys, SMAs):
   • 課題: 限られた機能寿命（疲労）が、作動（例：航空宇宙[317]）および潜在的に高効率な弾性熱量冷却/ヒートポンプ[318-322, Figure A1]への応用を妨げる。
   • 解決策:
     • NiTi: 欠陥生成の理解[331]および合金化（コファクター条件[332-336]）とナノスケール析出物の導入[334]を通じて変態ひずみ/ヒステリシスを調整することにより、機能的疲労寿命（>10^7サイクル[332]）を改善。
     • CuZnAl: より安価で低応力が必要な代替案として調査[329, 337-341]; 相変態（B2 -> 18R[342]、γ相[343, 346]）および安定化戦略[345, 347]の理解が必要。資源利用可能性はCuZnAlに有利[346]。
7. 高エントロピー合金 (HEAs) および 複合濃縮合金 (CCAs):
   • 課題: 伝統的な単一基合金設計からの脱却[348]; 広大な組成空間[349, 350]; コスト、価格変動性、資源利用可能性（HHI指数[15, Figure 14]）、リサイクル性[15, Table 1]からの制約; 構成エントロピーを超えた基礎的理解の必要性[351, 363]。
   • 解決策: 持続可能性基準[15]に基づく合理的な元素選択。物理学に基づく設計ルールの開発（例：格子歪み[363]、固溶強化[360, 361, 364]、延性基準[362]）。多メカニズム設計の採用：金属間化合物析出物（高エントロピースーパーアロイ[365]）または短範囲規則（SRO）[366-368]の導入。ハイスループット実験[369-373]および計算手法の活用。機能材料研究[375-377, Figure 15]からの概念統合による設計空間の拡大。

5. 研究方法論

研究設計：

本研究は、包括的な文献レビュー方法論を採用しています。広範な出版された科学論文、報告書、データベースから既存の知識と研究結果を統合します。

データ収集および分析方法：

著者らは、金属の生産と使用の持続可能性側面（環境影響：エネルギー消費、排出、資源枯渇を含む）、ライフサイクルアセスメント、リサイクルの課題、資源の利用可能性に関する出版された文献からデータを収集しました。彼らは、7つの主要な合金システム（鋼、Al、Ti、Mg、超合金、SMA、HEA/CCA）内での合金設計戦略に焦点を当てた研究を分析しました。分析には、各合金システムに特有の主要な持続可能性の課題を特定し、これらの課題に対処するために提案または実施された合金設計アプローチをレビューすることが含まれました。調査結果は、有望な機会を強調し、将来の研究の方向性を示すために統合されました。

研究トピックと範囲：

本研究は、材料科学、特に合金設計と持続可能性の交差点に焦点を当てています。範囲は以下を含みます：

• 金属セクターにおける一般的な持続可能性の課題：ライフサイクル影響、エネルギーおよび資源消費、排出、リサイクル、材料の重要性。
• 7つの主要な構造および機能合金システム内の特定の課題と合金設計の機会：
  • 鋼 (Steels)
  • アルミニウム合金 (Aluminum alloys)
  • チタン合金 (Titanium alloys)
  • マグネシウム合金 (Magnesium alloys)
  • 超合金 (Superalloys)
  • 形状記憶合金 (Shape memory alloys)
  • 高エントロピー合金 (HEAs) および 複合濃縮合金 (CCAs)
• 持続可能性の成果に影響を与える合金組成、微細構造、プロセス、および特性の役割（例：軽量化、効率、耐久性、リサイクル性）。
• 持続可能な合金設計における計算およびハイスループット手法の適用。

6. 主な結果：

主な結果：

本レビューは、合金設計が冶金学における持続可能性の課題に対処するための強力なツールであり、Table 2に要約される多様な機会を提供することを強調しています。様々な合金システムにわたって特定された主要な戦略は次のとおりです：

• 材料効率の向上： 強化された特性の組み合わせ（例：AHSS、(α+β) Ti合金、HEA/CCAにおける強度と延性）を持つ合金を設計することで、材料使用量を削減できます（「より少ないものでより多くを行う」）。
• 機能寿命の延長： 摩耗、疲労、水素脆化（鋼、Ti）、低温保持疲労（Ti）に対する優れた耐性を持ち、機能的安定性（SMA）を向上させる合金を開発することで、交換の必要性を減らします。再利用とリサイクルのための設計（鋼、HEA/CCA）も貢献します。
• エネルギー効率の向上： より高い温度で安定な合金（Al合金、γ-TiAl、超合金）を作成することで、より効率的なエンジンとエネルギーシステムが可能になります。弾性熱量ヒートポンプ（SMA）のような新しい効率的な技術のための材料開発は、新たな道筋を提供します。
• 持続可能な組成： 希少、高価、または環境的に問題のある元素（例：Al中のSc、超合金中のRe、Co基合金中のW）を置き換えるために合金元素を戦略的に選択し、既存のリサイクルストリームと互換性があるか、新しいストリームを可能にする合金を設計することが重要です。
• 活用ツール： 計算材料科学（ICME、DFT、CALPHAD）およびハイスループット実験技術は、複雑な合金設計空間をナビゲートし、持続可能な材料の開発を加速するために不可欠です。
• ライフサイクル視点： 合金設計の選択による持続可能性の利点を評価する際には、抽出から寿命末期までのライフサイクル全体を考慮する必要性が一貫したテーマです。

図表リスト：

• Table 1. Recoverability of alloying elements during extractive metallurgical processes. Green indicates that an element can be recovered in a single stage recovery process. Yellow indicates that an element is likely lost in a single stage recovery process (requiring subsequent post-recovery) without detriment to the carrier metal. Red indicates that an element cannot be economically recovered and are potentially detrimental to the carrier metal. Reproduced from [15]. (表1. 抽出冶金プロセス中の合金元素の回収可能性。[15]より転載。)
• Figure 1. Geographic concentration for relevant materials. Concentrated supply chains are more vulnerable to disruption from socio-political upheaval, weather, and manufacturing bottlenecks. (図1. 関連材料の地理的集中。集中したサプライチェーンは、社会政治的混乱、天候、製造上のボトルネックによる中断に対してより脆弱です。)
• Figure 2. Energy Sankey diagram for the primary steel supply chain. Reproduced from [31]. (図2. 一次鉄鋼サプライチェーンのエネルギーサンキー図。[31]より転載。)
• Figure 3. Ultimate tensile strength (MPa) versus elongation of high manganese TWIP or TRIPlex steels. Reproduced from [74]. (図3. 高マンガンTWIPまたはTRIPlex鋼の引張強度(MPa)対伸び。[74]より転載。)
• Figure 4. (a,b,c) LEAP tomography dataset obtained from an Al-0.08Zr-0.014Sc-0.008Er-0.10Si (at.%) alloy (further described in Refs. [150,151] over-aged for 21 day at 375°C, with Al atoms omitted for clarity; (b) and (c) display only the Zr and Sc atoms, respectively. (d) Associated proximity histogram showing (Al,Si)3(Zr,Sc,Er) concentration profile with a representative nano-precipitate in inset. (図4. Al-0.08Zr-0.014Sc-0.008Er-0.10Si (at.%) 合金から得られたLEAPトモグラフィーデータセット。[150,151]で詳述、375°Cで21日間過時効、Al原子は明瞭化のため省略。(b)および(c)はそれぞれZrおよびSc原子のみ表示。(d)関連する近接ヒストグラムは、代表的なナノ析出物の挿入図とともに(Al,Si)3(Zr,Sc,Er)濃度プロファイルを示す。)
• Figure 5. STEM HAADF micrographs obtained from a Mo- and Mn-modified Al-Zr-Sc-Er-Si alloy aged 11 days at 400°C [172]. The α-AlMnSi precipitates exhibit an orientation relationship with the matrix, displaying both coherent and semi-coherent interfaces. The α-AlMnSi and L12 Al3M coexist and contribute jointly to strengthening. (図5. MoおよびMn改質Al-Zr-Sc-Er-Si合金（400°Cで11日間時効）から得られたSTEM HAADF顕微鏡写真[172]。α-AlMnSi析出物はマトリックスとの方位関係を示し、整合および半整合界面の両方を示す。α-AlMnSiとL12 Al3Mは共存し、強化に共同で寄与する。)
• Figure 6. Lattice correspondence between the orthorhombic martensite α″ and the β phase with body centered cubic structure. Reproduced from [384]. (図6. 斜方晶マルテンサイトα″と体心立方構造を持つβ相との間の格子対応。[384]より転載。)
• Figure 7. Illustration of the Stroh model [385] for planar slip in two neighbouring hexagonal grains. Reproduced from [186]. (図7. 隣接する2つの六方晶粒における平面すべりに関するStrohモデル[385]の図解。[186]より転載。)
• Figure 8. Savings of greenhouse gas emissions during use stage for different magnesium scenarios. Reproduced from [223] (図8. 異なるマグネシウムシナリオにおける使用段階での温室効果ガス排出量の削減。[223]より転載。)
• Figure 9. Activation energy for cross-slip and ductility index χ for binary and higher-order Mg alloys. (A) Average solute contribution to energy difference ∆EII−I(c) between the pyramidal I and II (c+a) screw dislocations for various REs. Al, Zn, Zr, Ca, Mn, and Ag, immediately showing which solutes will be effective in enhancing ductility. (B) Predicted pyramidal II-I cross-slip activation energy barrier including solute fluctuations and ductility index χ for binary Mg alloys as a function of solute concentration c for the same solutes. χ > 1 indicates favorable conditions for ductility. RE solutes achieve χ > 1 at very low concentrations; Zr and Ca are also highly effective, and Mn is moderately effective. Zn and Ag (almost identical) have χ < 0 and do not reach favorable conditions for ductility. (C) Mg-Al-X-X’ with varying Al concentrations and (D) Mg-Zn-X-X’ with varying Zn concentrations. In (c), Al-Ca, Al-Mn, and Al-Ca-Mn reach the favorable ductility condition χ > 1 over some ranges of Al concentrations, and binary Mg-Al approaches χ = 0 at 1 to 3 at % Al. In (D), Zn-Ce, Zn-Mn, Zn-Mn-Ce, Zn-Zr, and Zn-Gd reach the favorable ductility condition χ > 1 at low Zn concentrations, and χ decreases as the Zn concentration increases. In (C) and (D), predictions are shown for Al and Zn concentrations above their very dilute limits; 0.1% wt Ca and 0.2% wt Ce can be in the very dilute limits. Attainable solute concentrations are limited by solubility and precipitation, factors not assessed here. The individual labels indicate solute weight percentage to make contact with standard alloy nomenclature. Reproduced from [241] (図9. 二元および高次Mg合金の交差すべり活性化エネルギーと延性指数χ。(A) 様々なRE、Al、Zn、Zr、Ca、Mn、Agに対するピラミダルIおよびII (c+a) スクリュー転位間のエネルギー差∆EII−I(c)への平均溶質寄与。どの溶質が延性向上に効果的かを即座に示す。(B) 同じ溶質について、溶質濃度cの関数として、溶質変動と二元Mg合金の延性指数χを含む予測ピラミダルII-I交差すべり活性化エネルギー障壁。χ > 1は延性に有利な条件を示す。RE溶質は非常に低い濃度でχ > 1を達成。ZrとCaも非常に効果的であり、Mnは中程度に効果的。ZnとAg（ほぼ同一）はχ < 0であり、延性に有利な条件に達しない。(C) Al濃度を変化させたMg-Al-X-X'および(D) Zn濃度を変化させたMg-Zn-X-X'。(c)では、Al-Ca、Al-Mn、およびAl-Ca-Mnが一部のAl濃度範囲で有利な延性条件χ > 1に達し、二元Mg-Alは1〜3 at% Alでχ = 0に近づく。(D)では、Zn-Ce、Zn-Mn、Zn-Mn-Ce、Zn-Zr、およびZn-Gdが低いZn濃度で有利な延性条件χ > 1に達し、Zn濃度が増加するにつれてχは減少する。(C)および(D)では、AlおよびZn濃度が非常に希薄な限界を超える予測が示されている。0.1% wt Caおよび0.2% wt Ceは非常に希薄な限界にある可能性がある。達成可能な溶質濃度は溶解度と析出によって制限され、ここでは評価されていない要因である。個々のラベルは、標準的な合金命名法と接触するための溶質重量パーセントを示す。[241]より転載。)
• Figure 10. Computed values of the yttrium-similarity index, YSI for the 2850 solute pairs computed in this study and visualized in the form of a symmetric matrix (a) with yellow indicating a high similarity and blue a low one. Solute pairs that have a high index (YSI > 0.95) are shown in the upper triangular part in (b). Applying a cost and solubility filter only a single pair, Al-Ca, remains (c). Reproduced from [242]. (図10. 本研究で計算された2850の溶質ペアに対するイットリウム類似性指数(YSI)の計算値。対称行列の形式で視覚化され(a)、黄色は高い類似性、青色は低い類似性を示す。高い指数(YSI > 0.95)を持つ溶質ペアは(b)の上三角部分に示される。コストと溶解度フィルターを適用すると、単一のペアAl-Caのみが残る(c)。[242]より転載。)
• Figure 11. Aircraft engine schematic (GE 90) along with constituent materials by weight. Adapted from Schafrik et. al. [265]. (図11. 航空機エンジン概略図(GE 90)と構成材料（重量比）。Schafrik et. al. [265]より改作。)
• Figure 12. (a) Microstructure of a Co-Al-W based alloy (45.9Co-9.8Al-6.3W-6.4Cr-2.4Ta-29.2Ni, at%), (b) compared to the microstructure of a commercial Ni-base alloy (René N5) and (c) TEM weak beam image of superlattice intrinsic stacking faults that form in the L12 precipitates during deformation of Co-base alloys at elevated temperatures. (図12. (a) Co-Al-W基合金(45.9Co-9.8Al-6.3W-6.4Cr-2.4Ta-29.2Ni, at%)の微細構造、(b) 商用Ni基合金(René N5)の微細構造との比較、および(c) 高温でのCo基合金の変形中にL12析出物内に形成される超格子固有積層欠陥のTEM弱ビーム像。)
• Figure 13. (a) The superlattice stacking fault energy (defined as the normalized difference between the energy of the L12 and DO19 structures) for Co3(Al, W) compared to Ni3Al, calculated with 32 atom supercells using density functional theory [287] and (b) the effect of solute addition to the Co3X and the scaling of the solvus with the SISF. (図13. (a) 密度汎関数理論[287]を用いて32原子スーパーセルで計算された、Ni3Alと比較したCo3(Al, W)の超格子積層欠陥エネルギー（L12とDO19構造のエネルギー間の正規化された差として定義）、および(b) Co3Xへの溶質添加の効果とSISFとのソルバスのスケーリング。)
• Figure 14. (a) Alloy price in ($/mol) versus number of elements in alloy. (b) Price volatility versus number of elements in alloy. (c) Herfindahl-Hirschman Index (HHI) for various elements. Reproduced from [15]. (図14. (a) 合金中の元素数に対する合金価格($/mol)。(b) 合金中の元素数に対する価格変動性。(c) 様々な元素のハーフィンダール・ハーシュマン指数(HHI)。[15]より転載。)
• Figure 15. Diagrams illustrating the crystal structures of (a) the constituent elements at 600°C that make up the Cantor alloy, CoCrFeMnNi, and (b) oxide phases that have been mixed in equal proportions to produce a high entropy rocksalt (B1) structure [377] with oxygen (gray) atoms on one sublattice and a mixture of the metallic ions on the other sublattice. Three different types of cubic crystals produce an FCC solid solution in (a), and a mixture of cubic, monoclinic and hexagonal phases produce a cubic rocksalt structure in (b). (図15. (a) Cantor合金CoCrFeMnNiを構成する600°Cでの構成元素の結晶構造、および(b) 酸素(灰色)原子を一つの副格子に、金属イオンの混合物を他の副格子に持つ高エントピー岩塩(B1)構造[377]を生成するために等しい割合で混合された酸化物相を示す図。(a)では3つの異なるタイプの立方晶がFCC固溶体を生成し、(b)では立方晶、単斜晶、六方晶相の混合物が立方晶岩塩構造を生成する。)
• Table 2. Summary table of sustainability challenges and key opportunities for each alloy system. (表2. 各合金システムの持続可能性の課題と主要な機会の要約表。)
• Figure A1. Tusek’s regenerator. Elastocaloric material is held between grips. Starting in the austenite, the regenerator is loaded (a), causing the martensite transformation and heating of the superelastic material. (b) Fluid is pumped through the hot side heat exchanger HHEX, rejecting heat. (c) The regenerator is compressed into the austenite, cooling it, before finally at (d) the hot fluid is cooled and passed through the cold heat exchanger (CHEX). Redrawn from [380]. (図A1. Tusekの再生器。弾性熱量材料はグリップ間に保持される。オーステナイトから開始し、再生器が負荷され(a)、マルテンサイト変態と超弾性材料の加熱を引き起こす。(b) 流体が高温側熱交換器HHEXを通してポンプ輸送され、熱を放出する。(c) 再生器がオーステナイトに圧縮され、冷却される。最後に(d)で、高温流体が冷却され、低温側熱交換器(CHEX)を通過する。[380]より再描画。)

7. 結論：

本レビューは、7つの異なる合金システムにわたる持続可能なツールとしての合金設計の使用に関する最も有望な機会を強調しており、その概要はTable 2に示されています。これらの機会は、特性改善や機能寿命の延長による材料量の削減から、効率向上のための高温安定性の向上まで多岐にわたります。これらの目標を達成するには、環境に配慮した合金元素の選択と、計算に基づいた材料設計戦略の両方が必要です。

材料をより少なく使用するために強度と延性を同時に改善すること（例：鋼、Ti合金、HEA）、耐久性向上や再利用/リサイクルの実現を通じて合金寿命を延ばすことなど、共通のテーマが浮かび上がります。軽量化（Mg、Al、鋼）や高温用途（Al、γ-TiAl、超合金）または新規サイクル（SMA）のための材料開発を通じて、エネルギー効率の向上が追求されます。持続可能性の考慮事項は、元素選択（例：Al中のSc、超合金中のRe/Wの置換）からリサイクル性の設計に至るまで、合金設計全体に浸透しなければなりません。

理論および計算アプローチ（ICME、DFT、CALPHAD、フェーズフィールド、有限要素、統計的手法）は、複雑な設計空間をナビゲートし、進歩を加速するために不可欠です。金属生産からの環境負荷の増大[21, 12, 378]は、合金設計における意図的で情報に基づいた決定を必要とします。特定された課題と機会に焦点を当てた良心的な合金設計を通じて、冶金コミュニティは緊急の環境問題に対処し、持続可能な道を切り開くことができます。

8. 参考文献：

[References]
[1] Krausmann F, Wiedenhofer D, Lauk C, Haas W, Tanikawa H, Fishman T, et al. Global socioeconomic material stocks rise 23-fold over the 20th century and require half of annual resource use. Proc Natl Acad Sci 2017;114:1880–5. doi:10.1073/pnas.1613773114.
[2] Van der Voet E, Van Oers L, Verboon M, Kuipers K. Environmental implications of future demand scenarios for metals: methodology and application to the case of seven major metals. J Ind Ecol 2018;23:141–55. doi:10.1111/jiec.12722.
… (以下、参考文献リスト全体は英語版と同一) …
[385] Stroh AN. The formation of cracks as a result of plastic flow. Proc R Soc 1954;A223:404–14.

9. 著作権：

• 本資料は「Jaclyn L. Cann」による論文です。「Sustainability through Alloy Design: Challenges and Opportunities」に基づいています。
• 論文の出典： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079642520300864

本資料は上記の論文に基づいて要約されており、商業目的での無断使用は禁じられています。
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