《Adv Sci》：機(jī)器學(xué)習(xí)開發(fā)4D打印綠色金屬，原始態(tài)1.54GPa+8.1%

來源： 材料科學(xué)與工程

目前用于增材制造的金屬粉末通常沿襲了傳統(tǒng)商用合金的成分，這些現(xiàn)有商業(yè)金屬粉末是為傳統(tǒng)加工路線（例如鑄造、熱等靜壓、放電等離子燒結(jié)等）設(shè)計(jì)和優(yōu)化的，未考慮增材制造工藝的成型過程的特點(diǎn)（如高冷速、熱循環(huán)等）; 因此，可能不是最適合增材制造的材料。此外，在增材制造成型后，大部分材料仍然需要進(jìn)行后續(xù)熱處理來對力學(xué)性能進(jìn)行優(yōu)化。近年來，開發(fā)增材制造專用新型合金是目前增材制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而，傳統(tǒng)的合金計(jì)算方法如熱力學(xué)計(jì)算、第一性原理等存在開發(fā)周期較長、試錯(cuò)成本較高等問題。因此，如何高效地設(shè)計(jì)增材制造專用的合金材料、縮短合金設(shè)計(jì)的周期、實(shí)現(xiàn)在無后需熱處理下獲得高強(qiáng)-高韌打印件仍然是領(lǐng)域內(nèi)的一大挑戰(zhàn)。

機(jī)器學(xué)習(xí)(Machine Learning)作為一種人工智能技術(shù)，能夠使機(jī)器或系統(tǒng)從數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)并做出可靠的決策或預(yù)測，它在加速新先進(jìn)材料的設(shè)計(jì)和開發(fā)方面展示了巨大潛力和能力。為此，新加坡制造技術(shù)研究院譚超林 (該項(xiàng)目PI) 聯(lián)合香港城市大學(xué)楊濤和賓夕法尼亞州立大學(xué) T. DebRoy.，通過機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)合熱力學(xué)計(jì)算，開發(fā)了一種專用于增材制造的Fe-20.8Ni-6.2Ti-1.7Al (wt%)新型馬氏體鋼。該材料在激光直接能量沉積(LDED)原始態(tài)下即可獲得優(yōu)異的強(qiáng)塑性 (抗拉強(qiáng)度高達(dá)1.54 GPa和8.1%均勻延伸率)，該性能顯著優(yōu)于大部分增材制造制備的商用高強(qiáng)鋼原始態(tài)的力學(xué)性能。其優(yōu)異的力學(xué)性能主要?dú)w功于LDED沉積期間原位形成Ni3Ti化合物。獨(dú)特的逐層冷卻沉積策略促進(jìn)了具有高密度位錯(cuò)的馬氏體基體的形成，為析出相的形成提供了有利條件；機(jī)器學(xué)習(xí)開發(fā)的材料具備快速和短時(shí)形成析出相的能力，加上LDED中獨(dú)特的原位熱處理效應(yīng)，促進(jìn)了大量納米Ni3Ti的原位形成。

與當(dāng)前主流的非原位4D打印(即 3D打印零件隨時(shí)間的變化（如屬性或功能變化）發(fā)生在零件形成之后)相比較，這項(xiàng)工作將時(shí)間相關(guān)的析出強(qiáng)化與3D幾何成型同步集成，突出了原位4D打印，從而避免了后續(xù)耗時(shí)耗能的熱處理，充分發(fā)揮了增材制造技術(shù)在高能效和綠色制造方面的優(yōu)勢。相關(guān)研究以題為“Machine Learning Customized Novel Material for Energy-Efficient 4D Printing”于2023年2月5日發(fā)表在Advanced Science (IF=17.52)上。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202206607

Machine learning (ML)設(shè)計(jì)該合金的主要過程(圖1)如下: 首先，對一些影響材料性能的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行分析。然后通過ML模型來預(yù)測了各合金元素對這些關(guān)鍵指標(biāo)(如N3Ti析出相和Laves)的影響。訓(xùn)練的數(shù)據(jù)集來自于Thermal-Calc熱力學(xué)計(jì)算，總共使用1815個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)用來訓(xùn)練替代模型。在各類常見模型中，隨機(jī)森林（RF）模型可以得到極高的預(yù)測準(zhǔn)確度（R2>99%），見圖2，充分證明了ML預(yù)測的有效性。對ML預(yù)測的成分進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證，最終得到了最優(yōu)的合金成分為Fe-20.8Ni-6.2Ti-1.7Al (wt%)。

圖1. 機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)開發(fā) Fe-Ni-Ti-Al新型馬氏體時(shí)效鋼(NMS)過程示意圖。

圖2. 各種Machine Learning模型對Laves相和Ni3Ti析出相預(yù)測準(zhǔn)確性分析。

如圖3所示，采用激光直接能量沉積（LDED）技術(shù)制備了該Fe-20.8Ni-6.2Ti-1.7Al (wt%)材料�？傮w研究結(jié)果表明，通過充分利用激光增材制造過程的高冷速和熱循環(huán)的特點(diǎn)，在合金內(nèi)部形成了高位錯(cuò)密度的馬氏體，并在隨后的多次熱循環(huán)過程中誘導(dǎo)了合金內(nèi)部在缺陷處原位形成高密度Ni3Ti，從而顯著強(qiáng)化了合金。具體制備過程以及LDED態(tài)下的力學(xué)性能。該Fe-Ni-Ti-Al鋼在打印過程中原位形成Ni3Ti，無需進(jìn)行后續(xù)熱處理，即在三維成型的基礎(chǔ)上整合了時(shí)間維度(免除了耗時(shí)的后續(xù)熱處理)，可以看做是一種4D打印技術(shù)（如圖3e所示）。

圖3. 合金粉末特征分析、LDED工藝和Fe-Ni-Ti-Al試樣的力學(xué)性能。

圖4. LDED制備Fe-Ni-Ti-Al試樣的顯微組織分析以及原位析出機(jī)理示意圖。粉末中未觀察到析出相，但是在LDED制備的樣品中觀察到大量的Ni3Ti析出相。

如圖5所示，微柱壓縮實(shí)驗(yàn)表明: 打印的塊體材料中，富Ni3Ti析出區(qū)的強(qiáng)度高于粉末顆粒的壓縮強(qiáng)度，從而證實(shí)了Ni3Ti原位析出相帶來的強(qiáng)化作用。該新材料LDED沉積后，未經(jīng)熱處理即可獲得高達(dá)1.54 GPa的抗拉強(qiáng)度和8.1%的均勻延伸率，在目前大部分增材制造成型高強(qiáng)鋼中，表現(xiàn)出非常優(yōu)異的強(qiáng)塑性組合。

圖5. LDED制備Fe-Ni-Ti-Al材料的微觀力學(xué)性能, 以及該材料與增材制造制備的多種高強(qiáng)鋼的力學(xué)性能對比圖(均為未熱處理態(tài))。

總之，這項(xiàng)工作通過機(jī)器學(xué)習(xí)定制了一種新型馬氏體時(shí)效鋼，可在 LDED期間原位形成析出相。設(shè)計(jì)的逐層冷卻沉積策略促進(jìn)了高密度位錯(cuò)馬氏體基體的形成。材料的快速析出動(dòng)力學(xué)和LDED獨(dú)特的原位熱處理效應(yīng)促進(jìn)了大量納米Ni3Ti原位異質(zhì)形核。微柱壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與原料粉末相比，原位形成的Ni3Ti析出相提高了LDED打印的NMS馬氏體時(shí)效鋼的強(qiáng)度。LDED制備的NMS馬氏體時(shí)效鋼達(dá)到了約1.54 GPa的抗拉強(qiáng)度和8.1%的均勻伸長率，優(yōu)于諸多增材制造成型的高強(qiáng)鋼。這項(xiàng)工作展示了通過理解和利用增材制造過程中原位熱處理效應(yīng)和材料之間的相互作用，開發(fā)高性能金屬的可行性，可為開發(fā)增材制造專用結(jié)構(gòu)材料、功能材料和綠色材料提供啟發(fā)和借鑒。