近期，大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院王清教授及其團(tuán)隊(duì)成員在先進(jìn)結(jié)構(gòu)-功能一體化材料研發(fā)方面取得重要進(jìn)展。王清教授團(tuán)隊(duì)一直致力于高性能材料的設(shè)計(jì)與研發(fā)工作，將團(tuán)簇式成分設(shè)計(jì)方法與第一性原理、相場(chǎng)模擬及機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了從成分到組織的定量設(shè)計(jì)以及對(duì)合金多個(gè)性能的協(xié)同調(diào)控，大幅提升了合金研發(fā)效率;發(fā)展出一系列高性能工程合金材料，并在多個(gè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用。團(tuán)隊(duì)分別以“開發(fā)新型高溫BCC/B2共格軟磁多主元合金”(Developing novel high-temperature soft-magnetic B2-based multi-principal-element alloys with coherent body-centered-cubic nanoprecipitates)和“自動(dòng)化機(jī)器學(xué)習(xí)開發(fā)新型低密度高強(qiáng)抗蠕變高熵高溫合金”(Developing novel low-density high-entropy superalloys with high strength and superior creep resistance guided by automated machine learning)為題，相繼發(fā)表在國(guó)際金屬材料領(lǐng)域Top1期刊《材料學(xué)報(bào)》(Acta Materialia)上。


新型高溫軟磁材料組織與性能

材料的性能與多個(gè)尺度的微觀組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，主要包括元素組合和基因單元等。高溫用軟磁材料是航空航天等領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵，可作為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子、變壓器、磁力軸等，工作溫度為400~800℃，需要兼具優(yōu)異軟磁性能和高溫力學(xué)性能。但是目前常用的軟磁材料存在渦流損耗高、高溫組織穩(wěn)定性差、服役溫度低、制備工藝復(fù)雜等問題。團(tuán)隊(duì)成員利用團(tuán)簇成分式方法調(diào)控微觀結(jié)構(gòu)，成功地開發(fā)出了一系列新型高溫軟磁多元合金，并在高溫下保持了優(yōu)異的軟磁性能。新型合金具有高的居里溫度和電阻率，可以廣泛應(yīng)用于電子、機(jī)械和航空等領(lǐng)域。這項(xiàng)研究的成功還為高溫軟磁材料的研究提供了新的思路和方法，具有重要的學(xué)術(shù)和應(yīng)用價(jià)值。


團(tuán)簇式嵌入的自動(dòng)化機(jī)器學(xué)習(xí)高溫合金成分-性能循環(huán)示意圖

為滿足先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比不斷提升的重大需求，急需研發(fā)新型低密度、高強(qiáng)度的高溫結(jié)構(gòu)材料。高溫合金由于其優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，被廣泛的應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域，作為應(yīng)用最廣泛的材料之一。但是，當(dāng)前商用變形高溫合金密度高(高于8.20 g/cm3)以及承溫能力提升慢(2℃/年)，新材料開發(fā)進(jìn)程緩慢。目前，以‘Al for Science’材料研究新范式成為了迅速開發(fā)新材料最重要的方式之一。其中，以體系特征參數(shù)輔助的機(jī)器學(xué)習(xí)方法在高性能工程合金研發(fā)過程中展現(xiàn)出獨(dú)特的潛力。然而，體系特征參數(shù)并未與成分直接關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致在以性能為導(dǎo)向預(yù)測(cè)新合金時(shí)需要搜索較大的成分空間，增加了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的難度。鑒于此，團(tuán)隊(duì)成員采用團(tuán)簇成分式嵌入自動(dòng)化機(jī)器學(xué)習(xí)成功開發(fā)了新型低密度高性能高溫合金。在本研究中，系統(tǒng)構(gòu)建了高溫合金成分與合金性能之間的關(guān)聯(lián)，并且嵌入與性能密切相關(guān)的組織特征參數(shù)，并對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)團(tuán)簇式約束后，合金成分大大減少，同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果高度一致。該工作開發(fā)出的系列低密度合金擁有優(yōu)異的共格組織高溫穩(wěn)定，且新型合金擁有高的高溫比屈服強(qiáng)度以及高的蠕變持久壽命。該框架為通過機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)高性能復(fù)雜合金面向性能的成分設(shè)計(jì)提供了新的途徑。

兩篇論文的第一作者分別為材料學(xué)院博士生王鎮(zhèn)華和李言成，通訊作者為材料學(xué)院王清教授。材料學(xué)院董闖教授、美國(guó)田納西大學(xué)Peter K.Liaw教授、香港理工大學(xué)焦增寶教授和中科院金屬所張宏偉研究員參與了論文工作思路的討論;機(jī)械工程學(xué)院李震老師在計(jì)算模擬、材料學(xué)院分析測(cè)試中心于鳳云老師在EBSD/SEM實(shí)驗(yàn)表征以及東莞理工學(xué)院溫冬輝副教授在熱力學(xué)軟件上對(duì)本研究給予了幫助。

該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金區(qū)域聯(lián)合重點(diǎn)基金和面上項(xiàng)目的資助支持。