通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)定制節(jié)能4D打印新材料

供稿人：韓宇,、魯中良
供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　
來(lái)源：中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造技術(shù)（3D打�,。┓謺�(huì)

材料、結(jié)構(gòu)和工藝是增強(qiáng)增材制造加工部件多功能性的關(guān)鍵,，近年來(lái),，機(jī)器學(xué)習(xí)在加速設(shè)計(jì)和發(fā)現(xiàn)新的先進(jìn)材料方面表現(xiàn)出了巨大潛力。當(dāng)前,，商用金屬粉末自身性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)多適用于傳統(tǒng)加工方法（如鑄造,、熱等靜壓、火花等離子體燒結(jié)等）,；同時(shí),，可加工金屬粉末的激光增材制造技術(shù)仍然需要通過(guò)后處理（熱處理，PHT）加強(qiáng)零部件的各項(xiàng)性能,，這一方式會(huì)增加能源消耗和二氧化碳排放量,。

近日，新加坡制造技術(shù)研究所科學(xué)技術(shù)研究局,、香港城市大學(xué)和賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員在國(guó)際頂級(jí)期刊《先進(jìn)科學(xué)》（Advanced Science）上共同發(fā)表了一項(xiàng)工作,，旨在通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)定制新材料,，在保證零部件性能的前提下實(shí)現(xiàn)后處理過(guò)程的免除。據(jù)文章介紹,，馬氏體時(shí)效鋼是一種典型的沉淀硬化超高強(qiáng)度鋼,，通常用作起落架、直升機(jī)起落架,、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)外殼和其他需要高強(qiáng)度重量比的應(yīng)用,。因此，以獲得輕質(zhì)馬氏體時(shí)效鋼為目標(biāo),，研究人員選擇了Fe–Ni–Ti–Al體系對(duì)固態(tài)熱循環(huán)驅(qū)動(dòng)的沉淀物演變進(jìn)行了深入研究。該項(xiàng)工作提出,，在激光增材制造過(guò)程中,，金屬粉末會(huì)經(jīng)歷獨(dú)特的受熱階段，包括循環(huán)快速加熱和冷卻：己沉積的金屬材料從液態(tài)快速冷卻后,，在沉積相鄰軌道和后續(xù)層時(shí)將經(jīng)歷循環(huán)再加熱,；循再加熱過(guò)程會(huì)引起很多短暫的溫度峰值，類(lèi)似于固有熱處理（IHT）,，如果控制得當(dāng),，這些熱量能引發(fā)硬化沉淀物的聚集和成核，無(wú)需另外加熱即可達(dá)到熱處理的效果,，從而達(dá)到綠色節(jié)能的目的,。以上主要研究?jī)?nèi)容如圖1~4所示。

如圖1所示為該項(xiàng)工作中新材料設(shè)計(jì)思路的示意圖,，包含了特征篩選,、建立數(shù)據(jù)集、分類(lèi)學(xué)習(xí),、數(shù)據(jù)優(yōu)化,、性能驗(yàn)證、終極決策等主要方法和步驟,；圖2概述了定制金屬粉末的學(xué)習(xí)和加工過(guò)程,、激光定向能量沉積工藝以及新型材料的基本性能；圖3展示了所獲得的定制材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)及相關(guān)分析,；圖4為對(duì)NMS大塊材料和粉末的局部區(qū)域進(jìn)行微柱壓縮后,，進(jìn)一步研究原位形成的沉淀物對(duì)機(jī)械性能的影響結(jié)果分析。實(shí)驗(yàn)證明,，該團(tuán)隊(duì)提出的策略促進(jìn)了具有高密度位錯(cuò)的馬氏體基體的形成,，并產(chǎn)生了分級(jí)雙相。材料的快速沉淀動(dòng)力學(xué)和激光增材制造中獨(dú)特的IHT效應(yīng)促進(jìn)了大塊納米Ni3Ti的原位沉淀,。與原料粉末相比,，原位形成的Ni3Ti預(yù)沉淀提高了金屬?gòu)?qiáng)度,，最終實(shí)現(xiàn)了約1.54GPa的十次拉伸強(qiáng)度和8.1%的均勻伸長(zhǎng)率，優(yōu)于普通激光增材制造加工的各種高強(qiáng)度鋼,。

圖1 機(jī)器學(xué)習(xí)輔助Fe–Ni–Ti–Al新型馬氏體時(shí)效鋼（NMS）的成分設(shè)計(jì)示意圖,。a）設(shè)計(jì)中的特征選擇，b）來(lái)自Thermo Calc軟件的數(shù)據(jù)收集以及替代模型中的相關(guān)矩陣,，c）應(yīng)用的各種機(jī)器學(xué)習(xí)算法,，d）合金元素允許范圍內(nèi)的成分優(yōu)化，e）不同成分在490°C下的隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)沉淀行為,，f）最終確定的成分以及所產(chǎn)生粉末的形態(tài)和元素圖譜

圖2 加工學(xué)習(xí)定制粉末概述,，激光定向能量沉積（LDED）工藝和定制Fe–Ni–Ti–Al材料的機(jī)械性能。a） 粉末粒度分布,，b） 橫截面圖,，c）反極圖，d）粉末的相分布圖,，e）普通方法加工的馬氏體時(shí)效鋼（CMS）與本文提出方法加工的NMS的性能比較,。LDED通過(guò)f）連續(xù)沉積和g）層間暫停（ILP）沉積策略處理NMS的空間形態(tài)。h） 連續(xù)和ILP沉積策略中的時(shí)間相關(guān)熱歷史（182°C）,。i） NMS和CMS的拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn),。j） NMS變形行為監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖3 通過(guò)ILP沉積策略處理的NMS的微觀(guān)結(jié)構(gòu)分析。a）和b）為相的空間分布,，c） ILP樣品中的高密度位錯(cuò),，d） 粉末和e）ILP樣品的白色區(qū)域沒(méi)有顯示出沉淀物的跡象。f） 在暗區(qū)的TEM觀(guān)察顯示出大量沉淀物,。g） 放大針狀沉淀物和相關(guān)SADP的圖像,。h） 沉淀物的EDS圖譜分析。i,、 j）Ni3Ti沉淀物的HR-TEM分析,，其中（j）是（i）中標(biāo)記區(qū)的更近視圖。k）基體和圓形沉淀物的高分辨率HAADF STEM和FFT圖像,。l） Ni3Ti中周期性Ti原子和Ni原子的HAADF-STEM圖像,，m）沉淀析出行為和機(jī)制

圖4 a）ILP樣品中微柱的位置。b,、 c）分別從白色（柱1）和深色（柱2）區(qū)域提取的微柱的形態(tài),。d） 從ILP樣品（白色和深色區(qū)域）和原料粉末中提取的柱體的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。e,、 f）粉末和暗區(qū)微柱的斷裂形態(tài),。g） 本工作與其他研究的比較，包括：（i）高強(qiáng)度低合金鋼（HSLA）,，（ii）沉淀硬化鋼（PHS）,，（iii）高強(qiáng)度不銹鋼,，（iv）工具鋼，（v）還原活化鐵素體/馬氏體（RAFM）鋼和（vi）馬氏體時(shí)效鋼
這項(xiàng)工作通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)定制了一種新型馬氏體時(shí)效鋼,，使其能夠在激光增材制造過(guò)程中原位形成沉淀物,，而無(wú)需后處理，闡明了利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法和激光增材制造獨(dú)特的熱循環(huán)開(kāi)發(fā)高性能金屬材料的潛在可能,。

參考文獻(xiàn)：
Tan, C., Li, Q., Yao, X., Chen, L., Su, J., Ng, F.L., Liu, Y., Yang, T., Chew, Y., Liu, C.T. and DebRoy, T., 2023. Machine Learning Customized Novel Material for Energy‐Efficient 4D Printing. Advanced Science, 10(10), p.2206607.