北京科技大學(xué)謝建新院士團(tuán)隊(duì)近期在合金設(shè)計(jì)領(lǐng)域取得了重要突破，他們提出了一種結(jié)合了物理化學(xué)因素篩選、SHAP(SHapley Additive exPlanations)解釋方法和元素敏感性分析的新型策略。這一策略成功構(gòu)建了合金成分與性能的“白盒”模型，為以豐富元素替代稀缺元素提供了科學(xué)依據(jù)，推動(dòng)了金屬材料的可持續(xù)和綠色發(fā)展。

構(gòu)建“白盒”模型

該策略的核心在于構(gòu)建一個(gè)能夠清晰揭示合金成分與性能關(guān)系的“白盒”模型。研究團(tuán)隊(duì)首先利用物理化學(xué)因素篩選方法，對(duì)合金元素進(jìn)行了初步的分析和選擇。隨后，他們引入了SHAP解釋方法，這是一種基于博弈論的可解釋性工具，能夠量化各個(gè)元素對(duì)合金性能的影響。通過SHAP分析，研究團(tuán)隊(duì)成功建立了與關(guān)鍵合金因素和性能相關(guān)的明確規(guī)律。

在建立了這些規(guī)律之后，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步運(yùn)用了運(yùn)籌學(xué)的敏感性分析方法，從眾多元素中篩選出最有利的替代元素，并優(yōu)化了合金元素的含量。這一過程確保了替代元素在降低稀缺元素使用的同時(shí)，能夠保持甚至提升合金的性能。

Cu合金中的Co替代

為了驗(yàn)證這一策略的有效性，研究團(tuán)隊(duì)選擇了Cu-Ni-Co-Si系(C70350系)合金作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。他們通過添加微量Cr元素并優(yōu)化Ni和Mg的含量，成功將Co的含量從1.4wt.%降低到0.5wt.%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，盡管Co含量大幅降低，但新合金的極限抗拉強(qiáng)度和電導(dǎo)率仍然與原始C70350合金相當(dāng)，分別達(dá)到了850MPa和47.2%IACS。

推動(dòng)金屬材料綠色發(fā)展

這一研究成果不僅證明了新型合金設(shè)計(jì)策略的有效性，還為金屬材料的可持續(xù)和綠色發(fā)展提供了新的思路。研究團(tuán)隊(duì)指出，這一策略可以廣泛應(yīng)用于各種金屬合金中，通過替代稀缺、昂貴或有毒的元素，實(shí)現(xiàn)合金性能的優(yōu)化和成本的降低。

此外，該策略還可以擴(kuò)展到高端航空航天合金的迭代開發(fā)中。例如，通過優(yōu)化鋁合金中Cu的含量，可以降低合金的密度，同時(shí)保持或提升其機(jī)械性能，從而制造出更輕質(zhì)的設(shè)備。這不僅有助于提升航空航天設(shè)備的性能，還可以降低能源消耗和環(huán)境污染。

綜上所述，北京科技大學(xué)謝建新院士團(tuán)隊(duì)提出的新型合金設(shè)計(jì)策略為金屬材料的可持續(xù)和綠色發(fā)展提供了有力的支持。未來，隨著這一策略的深入研究和廣泛應(yīng)用，我們有理由相信，金屬材料領(lǐng)域?qū)⒂瓉砀泳G色、高效和可持續(xù)的發(fā)展。