揭示高熵合金的高保真相位選擇規(guī)則：結(jié)合 CALPHAD 和機(jī)器學(xué)習(xí)研究

供稿人：王林、張航 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

近些年來，高熵合金（HEA）因其特殊的機(jī)械和物理特性而備受材料科學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域的關(guān)注，如高強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、耐磨性和抗輻射能力。高熵合金的優(yōu)秀特性主要?dú)w功于其獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)，因此在其微觀結(jié)構(gòu)方向上，其相位選擇規(guī)則一直是高熵合金研究的關(guān)鍵問題。盡管多年來進(jìn)行了廣泛的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算工作，但該規(guī)則仍然難以實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)階段通常采用經(jīng)驗(yàn)方法來研究 HEA 的相位選擇規(guī)則，但由于組成空間有限和數(shù)據(jù)點(diǎn)不足等原因，所以有必要使用多個(gè)參數(shù)來開發(fā)準(zhǔn)確的HEA相選規(guī)則。

近年來，機(jī)器學(xué)習(xí) （ML） 方法發(fā)展迅速，有望借此探索高熵合金的成型過程和穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上雖然取得了一定的成果，但仍存在一些缺點(diǎn)。首先，機(jī)器學(xué)習(xí)模型是在成分空間有限的數(shù)據(jù)集上進(jìn)行訓(xùn)練的，這些數(shù)據(jù)集一般只包含幾百個(gè)關(guān)于鑄造或鍛造成型的合金微觀結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。其次，機(jī)器學(xué)習(xí)模型往往是一個(gè)"黑匣子"，在高熵合金設(shè)計(jì)中往往找不到簡(jiǎn)單有效的規(guī)則。因此，對(duì)于高熵合金設(shè)計(jì)，特別需要從機(jī)器學(xué)習(xí)中獲取高保真的相位選擇規(guī)則。 基于此，2020年12月，新加坡科學(xué)科學(xué)、技術(shù)研究機(jī)構(gòu)的高性能計(jì)算研究所通過相圖計(jì)算技術(shù)，生成了關(guān)于Al、Co、Cr、Cu、Fe、Mn、Ni、Ti等八種元素超過30萬個(gè)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，并選擇15種描述參數(shù)，最終通過極大梯度法訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)模型，得到了五個(gè)最關(guān)鍵的參數(shù)分別如圖1所示。

圖1. 15個(gè)參數(shù)的權(quán)重分布圖。

增材制造技術(shù)在航空航天、國防、汽車和醫(yī)療植入等領(lǐng)域的各種應(yīng)用中不斷發(fā)展。選擇性激光熔化技術(shù)（SLM）和激光金屬沉積（LMD）技術(shù)是增材制造技術(shù)中廣泛探索的兩種主要方法。但是由于“階梯效應(yīng)”和粉末粘附在表面上，導(dǎo)致SLM和LMD成型出的金屬零件表面質(zhì)量非常差，需要進(jìn)一步的表面處理才能夠應(yīng)用。而傳統(tǒng)的機(jī)械研磨和化學(xué)拋光有許多缺點(diǎn)：機(jī)械拋光難以在復(fù)雜表面上實(shí)現(xiàn)，電化學(xué)拋光是一種非選擇性過程。激光拋光作為一種新型表面處理方法具有工藝持續(xù)時(shí)間短、重復(fù)性高、無磨料等優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)于LMD成型的具有大波紋的零件表面，激光拋光的小熔區(qū)往往不能直接去除表面的波紋和大凸起。而Hong Shen提出的兩步的激光表面處理方法就可以很好地解決這個(gè)問題。

圖2. 機(jī)器學(xué)習(xí)混合矩陣的結(jié)果，(a).訓(xùn)練數(shù)據(jù)集；(b).測(cè)試數(shù)據(jù)集。

模型的整體預(yù)測(cè)精度顯示在矩陣的右下角，可以看到訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的準(zhǔn)確率高達(dá)99.95%，而測(cè)試數(shù)據(jù)集的準(zhǔn)確率也有99.92%，這么高的準(zhǔn)確率表明基于這五種特征的機(jī)器學(xué)習(xí)模型有很好的效果，這對(duì)指導(dǎo)單相FCC、BCC高熵合金的設(shè)計(jì)，尋找新型單相合金材料提供了更有效的規(guī)則和設(shè)計(jì)工具。

參考文獻(xiàn)：
BHANVADIA A A, FARLEY R T, NOH Y, et al. High-resolution stereolithography using a static liquid constrained interface [J]. Commun Mater, 2021, 2(1):