科學(xué)島團(tuán)隊(duì)提出低活化高熵合金的高效設(shè)計(jì)策略

近期，核能安全所科研人員在低活化高熵合金設(shè)計(jì)方面取得新進(jìn)展，相關(guān)研究成果作為封面文章發(fā)表于國(guó)際知名期刊 Applied Materials Today。

低活化高熵合金（HEAs）因其優(yōu)異的力學(xué)性能和抗輻照性能而被認(rèn)為是先進(jìn)核能系統(tǒng)的新一代候選結(jié)構(gòu)材料。然而，潛在的巨大成分空間給低活化HEAs的設(shè)計(jì)帶來了極大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)試錯(cuò)法難以滿足HEAs的成分設(shè)計(jì)需求，而經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法主要針對(duì)HEAs的相結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，缺乏對(duì)性能的預(yù)測(cè)。近年來發(fā)展的機(jī)器學(xué)習(xí)方法為優(yōu)化設(shè)計(jì)HEAs提供了一種新途徑。目前已有的機(jī)器學(xué)習(xí)模型一般集中于HEAs的相結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或是性能預(yù)測(cè)，對(duì)于合金設(shè)計(jì)的輔助效果有限。為了實(shí)現(xiàn)HEAs的高效設(shè)計(jì)，亟需發(fā)展相結(jié)構(gòu)和性能的集成設(shè)計(jì)方法。

針對(duì)上述問題，科研人員提出了一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的集成設(shè)計(jì)策略，并設(shè)計(jì)制備出一種具有體心立方（BCC）結(jié)構(gòu)的單相低活化Fe35Cr30V20Mn10Ti5HEA。在相結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，構(gòu)建了兩個(gè)準(zhǔn)確率>85%的機(jī)器學(xué)習(xí)分類模型來分別篩選固溶強(qiáng)化（SS）和單相BCC的HEAs。在性能預(yù)測(cè)方面，建立了一個(gè)基于機(jī)器學(xué)習(xí)回歸算法的HEAs硬度預(yù)測(cè)模型，其相關(guān)系數(shù)（R）>0.9。通過相結(jié)構(gòu)與性能的集成設(shè)計(jì)策略，設(shè)計(jì)出了具有所需相和性能的低活化HEAs，且效率大大提升。新設(shè)計(jì)制備的硬度為555.9±15.3 HV的BCC單相低活化HEA（Fe35Cr30V20Mn10Ti5）滿足設(shè)計(jì)要求，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種集成設(shè)計(jì)策略的有效性。結(jié)合參數(shù)法分析，提出了兩種新的有效篩選SS和BCC的相分類準(zhǔn)則，準(zhǔn)確率均超過95%。

綜上，研究人員利用基于機(jī)器學(xué)習(xí)的集成設(shè)計(jì)策略實(shí)現(xiàn)了低活化高熵合金的高效設(shè)計(jì)，相關(guān)研究成果將促進(jìn)其他先進(jìn)材料的結(jié)構(gòu)和性能的集成設(shè)計(jì)。

圖1. 《Applied Materials Today》文章當(dāng)期封面

圖2. 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的低活化高熵合金集成設(shè)計(jì)策略

圖3. 使用新的相分類準(zhǔn)則的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果