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Anmaterials informatics approach to Ni-based single crystal superalloys

latticemisfit prediction

Xue Jiang,Hai-Qing Yin, Cong Zhang, et.al

ComputationalMaterials Science. 2018, 143

  在鎳基單晶高溫合金中γ和γ'相的晶格錯(cuò)配度對(duì)顯微組織的穩(wěn)定性和高溫蠕變和疲勞抗力起著至關(guān)重要的作用。因此快速準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)晶格錯(cuò)配度是非常重要的，特別是對(duì)于昂貴、耗時(shí)、耗材的材料試錯(cuò)設(shè)計(jì)法。在本研究中提供了一種使用化學(xué)成分、枝晶信息和測(cè)量溫度等相關(guān)材料描述符來預(yù)測(cè)錯(cuò)配度的機(jī)器學(xué)習(xí)方法。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集上使用線性或多核的支持向量回歸、序貫最小優(yōu)化回歸和多層感知器算法選擇適當(dāng)?shù)哪Ｐ?，多層感知器模型具有較高的相關(guān)系數(shù)和較低的誤差值，具有良好的預(yù)測(cè)性能。通過將預(yù)測(cè)的晶格錯(cuò)配度與廣泛使用的經(jīng)驗(yàn)公式和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)值相比較，驗(yàn)證了該方法的正確性。

材料信息學(xué)，機(jī)器學(xué)習(xí)，鎳基高溫合金，晶格錯(cuò)配，合金設(shè)計(jì)

圖1：（a）γ和γ'相的晶格錯(cuò)配度；（b）枝晶與枝晶中心之間的位置差異

圖2：機(jī)器學(xué)習(xí)在訓(xùn)練集上的性能。（a）線性核的支持向量回歸（SVR/lin）；（b）多核的支持向量回歸（SVR/poly）；（c）歸一化聚核SMO回歸（SMOreg/norpoly）；（d）多核SMO回歸（SMOreg/poly）；（e）多層感知器（MLP）。

圖3 訓(xùn)練集上的機(jī)器學(xué)習(xí)模型的相關(guān)系數(shù)

圖4： 數(shù)據(jù)集上機(jī)器學(xué)習(xí)模型的MAE（平均絕對(duì)誤差）和RMSE（均方根誤差）。

圖5 CCBE、WATANABE（1957）計(jì)算和MLP預(yù)測(cè)的錯(cuò)配度對(duì)比

  與機(jī)器學(xué)習(xí)算法相結(jié)合的信息學(xué)方法為材料設(shè)計(jì)提供了一種新的方法，特別是鎳基單晶高溫合金的晶格錯(cuò)配問題。在本文中，我們手工從開放獲取文獻(xiàn)中積累相關(guān)數(shù)據(jù)集，并構(gòu)造專用的鎳基單晶高溫合金數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)重用。再進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理之后，采用SVR（支持向量回歸）, SMOreg（序貫最小優(yōu)化回歸）和MLP（多層感知器）機(jī)器學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練線性和多核的錯(cuò)配度模型，以選擇最合適的模型。最終選擇了具有高相關(guān)系數(shù)、低MAE和RMSE值的預(yù)測(cè)性能的MLP模型。另外，通過對(duì)比MLP錯(cuò)配模型和眾所周知的經(jīng)驗(yàn)公式的預(yù)測(cè)精度，發(fā)現(xiàn)MLP模型表現(xiàn)更好。因此，機(jī)器學(xué)習(xí)輔助方法加速了在少量實(shí)驗(yàn)和測(cè)量的基礎(chǔ)上的定量錯(cuò)配預(yù)測(cè)過程。這對(duì)降低合金設(shè)計(jì)的時(shí)間和成本具有重要意義。在目前的研究中，我們考慮了試樣的成分、枝晶信息、形狀尺寸和溫度的影響。然而其它決定錯(cuò)配度的關(guān)鍵因素，包括不同的熱處理參數(shù)和應(yīng)力約束的影響，將在未來進(jìn)行研究。決定蠕變和疲勞性能的錯(cuò)配因素的顯式規(guī)則，有望用于鎳基單晶高溫合金的逆向設(shè)計(jì)。

  隱石檢測(cè)擁有一批在業(yè)內(nèi)取得顯著成就的專業(yè)技術(shù)人員，在行業(yè)內(nèi)有著豐富的檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)。秉承著專注、專業(yè)、高效、想客戶所想的理念，公司積極增加項(xiàng)目和完善更先進(jìn)的測(cè)試儀器設(shè)備，保障每一個(gè)檢測(cè)，分析，研發(fā)任務(wù)優(yōu)質(zhì)高效的完成。同時(shí)通過專業(yè)所長(zhǎng),為全球數(shù)萬家優(yōu)質(zhì)客戶提供最及時(shí)的行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)信息，和更高精尖的分析檢測(cè)解決方案。

　　隱石檢測(cè)分別成立了閥門實(shí)驗(yàn)室，腐蝕實(shí)驗(yàn)室，金相實(shí)驗(yàn)室，力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，無損實(shí)驗(yàn)室，耐候老化實(shí)驗(yàn)室。從事常壓儲(chǔ)罐檢測(cè)，鍋爐能效檢測(cè)，金屬腐蝕檢測(cè)，應(yīng)力應(yīng)變檢測(cè)，無損探傷檢測(cè)，機(jī)械設(shè)備檢測(cè)，金相分析，石墨烯納米材料檢測(cè)，水質(zhì)檢測(cè)，油品檢測(cè)涉及的服務(wù)范圍已廣泛覆蓋到鋼鐵材料，有色金屬材料，石油化工設(shè)備，通用機(jī)械設(shè)備，冶金礦石，建筑工程材料、航空航天材料，高鐵船舶材料，汽車用零部件、非金屬材料，電子電工產(chǎn)品等各個(gè)領(lǐng)域，并獲得了CMA和CNAS;雙重認(rèn)可。