本發(fā)明屬于新材料制備與加工領(lǐng)域，具體涉及一種結(jié)合攪拌摩擦加工、分子動力學(xué)模擬及機器學(xué)習(xí)的高通量合金性能預(yù)測方法。

背景技術(shù)：

1、合金的發(fā)展對人類社會的演進起到了關(guān)鍵作用。自古以來，合金的出現(xiàn)都極大拓展了人類的生產(chǎn)水平。但隨著科技的進步和社會對合金綜合性能日益嚴苛的要求，傳統(tǒng)的合金設(shè)計方法，如依賴經(jīng)驗的試錯法，在成分設(shè)計和篩選方面存在周期長，設(shè)計成功率低等問題。因此，提高合金成分設(shè)計與篩選效率成為合金新材料研發(fā)的關(guān)鍵。

2、合金設(shè)計通常是通過合金成分和組織調(diào)控來獲得預(yù)期性能，它是建立在“成分—組織—工藝與性能”的定量關(guān)系基礎(chǔ)上的綜合結(jié)果，這樣的合金設(shè)計過程使得制備合金時存在制備周期長、篩選成功率低的問題。近年來，機器學(xué)習(xí)被證明可應(yīng)用于合金設(shè)計領(lǐng)域。機器學(xué)習(xí)通過“合金成分—制備工藝—合金性能”之間的關(guān)系建立預(yù)測模型，為合金設(shè)計提供指導(dǎo)，實現(xiàn)對合金材料性能的快速預(yù)測及優(yōu)化。然而，為訓(xùn)練和驗證機器學(xué)習(xí)模型，需要有充足的數(shù)據(jù)集。合金設(shè)計中涉及的元素種類和合金體系復(fù)雜，數(shù)據(jù)樣本量小，導(dǎo)致機器學(xué)習(xí)模型實際泛化效果有限。另一方面，機器學(xué)習(xí)模型預(yù)測結(jié)果需要與實驗數(shù)據(jù)進行驗證，現(xiàn)有合金制備技術(shù)制備工藝周期長，提取實驗數(shù)據(jù)困難、驗證效率低。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種結(jié)合攪拌摩擦加工、分子動力學(xué)模擬及機器學(xué)習(xí)的高通量合金性能預(yù)測方法，本發(fā)明能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中模型訓(xùn)練數(shù)據(jù)集不足的問題，進而能夠解決現(xiàn)有技術(shù)制備合金時存在制備周期長、篩選成功率低的問題。

2、為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、一種結(jié)合攪拌摩擦加工、分子動力學(xué)模擬及機器學(xué)習(xí)的高通量合金性能預(yù)測方法，包括以下過程：

4、在第一基板上預(yù)制梯度結(jié)構(gòu)，在所述梯度結(jié)構(gòu)中預(yù)埋第二金屬，在梯度結(jié)構(gòu)處進行攪拌摩擦加工，制備出成分沿攪拌摩擦加工方向呈梯度分布的成分梯度合金；

5、對所述成分梯度合金的成分及性能進行表征，獲取不同合金成分屈服強度以及抗拉強度數(shù)據(jù)，建立合金成分與力學(xué)性能關(guān)系，根據(jù)合金成分與力學(xué)性能關(guān)系構(gòu)建測試樣本數(shù)據(jù)庫；

6、利用分子動力學(xué)模擬獲取成分梯度合金中不同合金成分的屈服強度以及抗拉強度數(shù)據(jù)，建立合金成分與力學(xué)性能關(guān)系，根據(jù)合金成分與力學(xué)性能關(guān)系構(gòu)建訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)庫；

7、分別從所述訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)庫和測試樣本數(shù)據(jù)庫劃分訓(xùn)練數(shù)據(jù)集與測試數(shù)據(jù)集，對訓(xùn)練數(shù)據(jù)集進行變量篩選，獲取最優(yōu)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集；

8、利用所述最優(yōu)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集對不同的機器學(xué)習(xí)模型進行機器學(xué)習(xí)訓(xùn)練，通過誤差指標對比選出最優(yōu)機器學(xué)習(xí)模型并進行預(yù)測，利用機器學(xué)習(xí)預(yù)測出的硬度、抗拉強度、屈服強度與測試數(shù)據(jù)集進行驗證，進行反復(fù)迭代，再次訓(xùn)練最優(yōu)機器學(xué)習(xí)模型直至通過驗證；

9、利用驗證通過的最優(yōu)機器學(xué)習(xí)模型對高通量合金性能進行預(yù)測。

10、優(yōu)選的，所述梯度結(jié)構(gòu)采用形狀上具有梯度的槽。

11、優(yōu)選的，所述梯度結(jié)構(gòu)采用梯形槽或三角形槽。

12、優(yōu)選的，在梯度結(jié)構(gòu)處進行攪拌摩擦加工時，攪拌針的扎入深度為槽底到第一基板上表面的垂直距離。

13、優(yōu)選的，所述第二金屬采用與制梯度結(jié)構(gòu)形狀相同的金屬板材或者采用第二金屬粉體。

14、優(yōu)選的，利用分子動力學(xué)模擬獲取成分梯度合金中不同合金成分的屈服強度以及抗拉強度數(shù)據(jù)時：

15、分子動力學(xué)模擬采用嵌入原子勢來描述原子間的相互作用，具體如下述公式；

16、

17、

18、其中，為原子 i的總勢能；為原子之間的兩體作用對勢；為系統(tǒng)中原子產(chǎn)生的局域電子密度；為原子 i放入電子密度為位置所需要的能量；為兩個原子之間的距離；為 j原子的核外電子在 i原子處貢獻的電荷密度。

19、優(yōu)選的，利用分子動力學(xué)模擬獲取成分梯度合金中不同合金成分的屈服強度以及抗拉強度數(shù)據(jù)時，分子動力學(xué)模擬獲取性能的變形試驗為單軸拉伸。

20、優(yōu)選的，對訓(xùn)練數(shù)據(jù)集進行變量篩選時，采用lasoo回歸進行變量篩選，具體如下述公式；

21、

22、其中，為參數(shù)變量；為觀測向量；為設(shè)計矩陣；為收縮參數(shù)；為lasso回歸模型。

23、優(yōu)選的，所述不同的機器學(xué)習(xí)模型包括支持隨機森林模型、向量回歸模型和梯度提升決策樹模型。

24、優(yōu)選的：通過誤差指標對比選出最優(yōu)機器學(xué)習(xí)模型時，采用均方誤差mse、平均絕對誤差mae、均方根誤差rmse、平均絕對誤差mape和擬合優(yōu)度r2來評估機器學(xué)習(xí)模型的精確性；

25、對最優(yōu)機器學(xué)習(xí)模型進行訓(xùn)練直至通過驗證時，采用均方誤差mse、平均絕對誤差mae、均方根誤差rmse、平均絕對誤差mape和擬合優(yōu)度r2來評估機最優(yōu)機器學(xué)習(xí)模型的精確性。

26、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

27、本發(fā)明通過在第一基板上預(yù)制梯度結(jié)構(gòu)，在梯度結(jié)構(gòu)中第二金屬，在梯度結(jié)構(gòu)處進行攪拌摩擦加工，因此能夠制備出成分沿攪拌摩擦加工方向呈梯度分布的成分梯度合金。攪拌摩擦加工是一種劇烈塑性變形加工技術(shù)，攪拌頭旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的摩擦熱和塑性變形熱將攪拌針周圍的材料熱塑化，使材料產(chǎn)生劇烈塑性流變。因此，本發(fā)明采用攪拌摩擦加工高溫?zé)崃︸詈献饔每梢允沟锰砑拥闹髟兘饘倥c初始鑄錠發(fā)生合金化和劇烈塑性變形，實現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)細化、均勻化和致密化。同時，純主元金屬的梯度結(jié)構(gòu)保證沿攪拌摩擦加工方向的成分具有梯度特征，配合加工參數(shù)的改變可以實現(xiàn)高通量制備，為機器學(xué)習(xí)提供實驗樣本數(shù)據(jù)。此外，分子動力學(xué)模擬通過改變模型的成分比例可獲得不同合金的組織結(jié)構(gòu)及其與性能的關(guān)系，從而獲取大量不同合金成分的數(shù)據(jù)樣本。因此，采用攪拌摩擦加工為機器學(xué)習(xí)提供實驗樣本，通過分子動力學(xué)模擬為機器學(xué)習(xí)提供訓(xùn)練樣本，從而為實現(xiàn)高熵合金成分最優(yōu)化設(shè)計奠定基礎(chǔ)，提高機器學(xué)習(xí)驗證效率，實現(xiàn)指導(dǎo)合金設(shè)計的目的?？梢钥闯?，本發(fā)明的方法屬于短流程制備技術(shù)，能夠縮短制備周期，降低成本，實現(xiàn)合金快速篩選與制備。本方法能夠通過熱力耦合作用，實現(xiàn)合金成分和微觀組織結(jié)構(gòu)的一體化調(diào)控，制備綜合性能優(yōu)異的合金。本方法過攪拌摩擦加工技術(shù)制備了成分沿加工方向呈梯度分布的合金，結(jié)合分子動力學(xué)模擬和機器學(xué)習(xí)智能預(yù)測，實現(xiàn)了合金的高通量設(shè)計、制備及篩選。

技術(shù)特征：

1.一種結(jié)合攪拌摩擦加工、分子動力學(xué)模擬及機器學(xué)習(xí)的高通量合金性能預(yù)測方法，其特征在于，包括以下過程：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)合攪拌摩擦加工、分子動力學(xué)模擬及機器學(xué)習(xí)的高通量合金性能預(yù)測方法，其特征在于，所述梯度結(jié)構(gòu)采用形狀上具有梯度的槽。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種結(jié)合攪拌摩擦加工、分子動力學(xué)模擬及機器學(xué)習(xí)的高通量合金性能預(yù)測方法，其特征在于，所述梯度結(jié)構(gòu)采用梯形槽或三角形槽。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種結(jié)合攪拌摩擦加工、分子動力學(xué)模擬及機器學(xué)習(xí)的高通量合金性能預(yù)測方法，其特征在于，在梯度結(jié)構(gòu)處進行攪拌摩擦加工時，攪拌針的扎入深度為槽底到第一基板上表面的垂直距離。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)合攪拌摩擦加工、分子動力學(xué)模擬及機器學(xué)習(xí)的高通量合金性能預(yù)測方法，其特征在于，所述第二金屬采用與梯度結(jié)構(gòu)形狀相同的金屬板材或者采用第二金屬粉體。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)合攪拌摩擦加工、分子動力學(xué)模擬及機器學(xué)習(xí)的高通量合金性能預(yù)測方法，其特征在于，利用分子動力學(xué)模擬獲取成分梯度合金中不同合金成分的屈服強度以及抗拉強度數(shù)據(jù)時：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)合攪拌摩擦加工、分子動力學(xué)模擬及機器學(xué)習(xí)的高通量合金性能預(yù)測方法，其特征在于，利用分子動力學(xué)模擬獲取成分梯度合金中不同合金成分的屈服強度以及抗拉強度數(shù)據(jù)時，分子動力學(xué)模擬獲取性能的變形試驗為單軸拉伸。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)合攪拌摩擦加工、分子動力學(xué)模擬及機器學(xué)習(xí)的高通量合金性能預(yù)測方法，其特征在于，對訓(xùn)練數(shù)據(jù)集進行變量篩選時，采用lasoo回歸進行變量篩選，具體如下述公式；

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)合攪拌摩擦加工、分子動力學(xué)模擬及機器學(xué)習(xí)的高通量合金性能預(yù)測方法，其特征在于，所述不同的機器學(xué)習(xí)模型包括支持隨機森林模型、向量回歸模型和梯度提升決策樹模型。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)合攪拌摩擦加工、分子動力學(xué)模擬及機器學(xué)習(xí)的高通量合金性能預(yù)測方法，其特征在于：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于新材料制備與加工領(lǐng)域，公開了一種結(jié)合攪拌摩擦加工、分子動力學(xué)模擬及機器學(xué)習(xí)的高通量合金性能預(yù)測方法，該方法利用攪拌摩擦加工制備成分沿加工方向呈梯度分布的合金，結(jié)合性能測試建立“成分與性能”的關(guān)系，構(gòu)建測試樣本數(shù)據(jù)庫。隨后，利用分子動力學(xué)模擬通過改變成分比例獲取不同合金成分的性能，構(gòu)建訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)庫。最后通過機器學(xué)習(xí)預(yù)測不同成分合金的性能，實現(xiàn)合金快速設(shè)計及篩選全流程，推動合金新材料的研發(fā)和應(yīng)用。

技術(shù)研發(fā)人員：王文,馬景昊,劉藝,霍可越,鄭鵬飛,張旭,鄧菁玉,喬柯,強鳳鳴,王快社
受保護的技術(shù)使用者：西安建筑科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6