基于主動(dòng)學(xué)習(xí)框架的增材制造TC4工藝參數(shù)優(yōu)化,！

來源：長(zhǎng)三角G60激光聯(lián)盟

優(yōu)化激光粉末床熔合技術(shù)制備 Ti-6Al-4V 合金的工藝及熱處理參數(shù),，對(duì)于生產(chǎn)出兼具高強(qiáng)度和高延展性的 Ti-6Al-4V 合金至關(guān)重要,，這是滿足其在各種應(yīng)用中性能需求的關(guān)鍵,。然而,，由于強(qiáng)度和延展性之間存在著固有的權(quán)衡關(guān)系,，傳統(tǒng)的試錯(cuò)法效率低下,。在此,，我們提出了一種帕累托主動(dòng)學(xué)習(xí)框架，并結(jié)合針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,，以高效探索由 296 個(gè)候選參數(shù)構(gòu)成的龐大參數(shù)空間,，精準(zhǔn)確定能夠同時(shí)提高強(qiáng)度和延展性的最優(yōu)參數(shù)。與先前研究中的 Ti-6Al-4V 合金相比,，使用這些精準(zhǔn)確定的參數(shù)所制備的所有 Ti-6Al-4V 合金,，在相似強(qiáng)度水平下展現(xiàn)出更高的延展性，在相似延展性水平下展現(xiàn)出更高的強(qiáng)度,。通過在不顯著犧牲一種性能的前提下提升另一種性能,，該框架證明了其在克服固有權(quán)衡關(guān)系方面的有效性。最終,，成功制備出了極限抗拉強(qiáng)度達(dá)到 1190 兆帕,、總延伸率達(dá)到 16.5% 的 Ti-6Al-4V 合金。所提出的這一框架簡(jiǎn)化了最優(yōu)加工參數(shù)的發(fā)現(xiàn)過程,，有望加速高性能合金的開發(fā)進(jìn)程,。

主要作者：Jeong Ah Lee，Seungchul Lee*,，Hyoung Seop Kim*
第一單位：浦項(xiàng)科技大學(xué)（韓國）
發(fā)表期刊：nature communications
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-56267-1

研究背景
今天為您帶來增材制造 Ti-6Al-4V 合金領(lǐng)域的最新消息,。Ti-6Al-4V 合金憑借其高強(qiáng)度、出色的耐腐蝕性以及良好的生物相容性,，在航空航天,、醫(yī)療等眾多關(guān)鍵領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。然而,，當(dāng)前通過激光粉末床熔融,，也就是 LPBF 技術(shù)制造的 Ti-6Al-4V 合金，卻面臨著棘手的難題,。

該技術(shù)制造出的合金,，通常呈現(xiàn)出高強(qiáng)度的針狀 α' 馬氏體結(jié)構(gòu)，可延展性卻比較低,，大概只有 8%,。而后熱處理，即 HT 手段,，雖能在一定程度上提升合金的延展性,，可代價(jià)卻是犧牲強(qiáng)度。一直以來,，依靠傳統(tǒng)試錯(cuò)法去解決這一強(qiáng)度與延展性之間的矛盾,，效率極為低下。

不僅如此,，在 LPBF 制造過程中,，工藝參數(shù)的優(yōu)化也極為復(fù)雜。像激光功率,、掃描速度,、體積能量密度，也就是 VED 等參數(shù),，都會(huì)對(duì)合金的微觀結(jié)構(gòu),，例如馬氏體形態(tài)、β 晶粒尺寸產(chǎn)生顯著影響,。另外,，熱處理的溫度和時(shí)間，同樣會(huì)改變合金的相組成與晶粒尺寸,。若采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法,，需要探索多達(dá) 296 種參數(shù)組合，這無疑是一項(xiàng)耗時(shí)又耗力的艱巨任務(wù),。

不過,，好消息是，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法為這一困境帶來了新的希望,。機(jī)器學(xué)習(xí),，也就是 ML 技術(shù)，在材料科學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)展現(xiàn)出高效的預(yù)測(cè)能力,。與傳統(tǒng)依賴大量標(biāo)注數(shù)據(jù)的 ML 不同,，主動(dòng)學(xué)習(xí)，Active Learning 技術(shù)通過迭代預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式,，能夠大幅減少實(shí)驗(yàn)次數(shù),，精準(zhǔn)定位到最優(yōu)的參數(shù)組合。這一技術(shù)的出現(xiàn),，有望為增材制造 Ti-6Al-4V 合金的發(fā)展開辟新的道路,。

Fig.1 Schematic of the overall flow

研究方法

科研人員設(shè)計(jì)出 Pareto 主動(dòng)學(xué)習(xí)框架，旨在突破傳統(tǒng)單目標(biāo)優(yōu)化的局限,，同時(shí)對(duì)極限抗拉強(qiáng)度,，也就是 UTS，以及總延伸率,，即 TE,，進(jìn)行優(yōu)化。

該框架的具體流程是這樣的：首先是數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段,，科研人員依據(jù) 119 組歷史實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),，這些數(shù)據(jù)涵蓋了激光粉末床熔融 LPBF 參數(shù)以及后熱處理 HT 條件，以此構(gòu)建起初始標(biāo)注集,。與此同時(shí),，還設(shè)置了 296 組尚未探索的參數(shù)組合,，作為候選集。

在代理模型選擇方面,，采用了高斯過程回歸器,，也就是 GPR，以此建立起工藝參數(shù)與力學(xué)性能之間的映射關(guān)系,，進(jìn)而預(yù)測(cè)那些未標(biāo)注數(shù)據(jù)的 UTS 和 TE 值,，以及相關(guān)的不確定性。

采集函數(shù)優(yōu)化環(huán)節(jié)同樣關(guān)鍵,，研究人員使用期望超體積改進(jìn),，簡(jiǎn)稱 EHVI，作為采集函數(shù),。這樣一來,，就能優(yōu)先挑選出那些可以最大化 Pareto 前沿超體積的參數(shù)組合，在探索高不確定性區(qū)域與開發(fā)高預(yù)測(cè)性能區(qū)域之間實(shí)現(xiàn)平衡,。

迭代實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是整個(gè)框架的重要實(shí)踐步驟,。每一輪迭代都會(huì)挑選 2 組參數(shù)用于實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)完成后更新標(biāo)注集,，并重新訓(xùn)練模型,。如此反復(fù)，直至 Pareto 前沿?zé)o法進(jìn)一步擴(kuò)展,，整個(gè)過程共進(jìn)行 5 輪迭代,，開展 10 組實(shí)驗(yàn)。

在實(shí)驗(yàn)與表征方法上,，研究人員使用 Concept Laser M2 設(shè)備打印 Ti - 6Al - 4V 試樣,。打印所涉及的參數(shù)范圍較廣，激光功率在 100 至 350W 之間,，掃描速度處于 500 至 2000mm/s,，熱處理溫度從 25°C 到 1050°C 不等，時(shí)間則是 0 至 2 小時(shí),。力學(xué)測(cè)試通過拉伸試驗(yàn)來測(cè)量 UTS 和 TE,，并且每組參數(shù)都會(huì)重復(fù) 3 次，以此驗(yàn)證穩(wěn)定性,。微觀結(jié)構(gòu)分析采用電子背散射衍射,，即 EBSD，以及 X 射線衍射,，也就是 XRD,，來表征 α 相形態(tài)、β 晶粒尺寸、織構(gòu)強(qiáng)度以及滑移系激活概率,。這一系列研究為增材制造 Ti - 6Al - 4V 合金開辟了新路徑,，我們也將持續(xù)追蹤后續(xù)成果，為您及時(shí)報(bào)道,。

Fig. 2: Pairwise plot and distribution demonstrating correlations between five input parameters and two mechanical properties.

研究結(jié)果

科研人員設(shè)計(jì)出 Pareto 主動(dòng)學(xué)習(xí)框架,，旨在突破傳統(tǒng)單目標(biāo)優(yōu)化的局限，同時(shí)對(duì)極限抗拉強(qiáng)度,，也就是 UTS,，以及總延伸率,，即 TE,，進(jìn)行優(yōu)化。

該框架的具體流程是這樣的：首先是數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段,，科研人員依據(jù) 119 組歷史實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),，這些數(shù)據(jù)涵蓋了激光粉末床熔融 LPBF 參數(shù)以及后熱處理 HT 條件，以此構(gòu)建起初始標(biāo)注集,。與此同時(shí),，還設(shè)置了 296 組尚未探索的參數(shù)組合，作為候選集,。

在代理模型選擇方面,，采用了高斯過程回歸器，也就是 GPR,，以此建立起工藝參數(shù)與力學(xué)性能之間的映射關(guān)系,，進(jìn)而預(yù)測(cè)那些未標(biāo)注數(shù)據(jù)的 UTS 和 TE 值，以及相關(guān)的不確定性,。

采集函數(shù)優(yōu)化環(huán)節(jié)同樣關(guān)鍵,，研究人員使用期望超體積改進(jìn)，簡(jiǎn)稱 EHVI,，作為采集函數(shù),。這樣一來，就能優(yōu)先挑選出那些可以最大化 Pareto 前沿超體積的參數(shù)組合,，在探索高不確定性區(qū)域與開發(fā)高預(yù)測(cè)性能區(qū)域之間實(shí)現(xiàn)平衡,。

迭代實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是整個(gè)框架的重要實(shí)踐步驟。每一輪迭代都會(huì)挑選 2 組參數(shù)用于實(shí)驗(yàn),，實(shí)驗(yàn)完成后更新標(biāo)注集,，并重新訓(xùn)練模型。如此反復(fù),，直至 Pareto 前沿?zé)o法進(jìn)一步擴(kuò)展,，整個(gè)過程共進(jìn)行 5 輪迭代，開展 10 組實(shí)驗(yàn)。

在實(shí)驗(yàn)與表征方法上,，研究人員使用 Concept Laser M2 設(shè)備打印 Ti - 6Al - 4V 試樣,。打印所涉及的參數(shù)范圍較廣，激光功率在 100 至 350W 之間,，掃描速度處于 500 至 2000mm/s,，熱處理溫度從 25°C 到 1050°C 不等，時(shí)間則是 0 至 2 小時(shí),。力學(xué)測(cè)試通過拉伸試驗(yàn)來測(cè)量 UTS 和 TE,，并且每組參數(shù)都會(huì)重復(fù) 3 次，以此驗(yàn)證穩(wěn)定性,。微觀結(jié)構(gòu)分析采用電子背散射衍射,，即 EBSD，以及 X 射線衍射,，也就是 XRD,，來表征 α 相形態(tài)、β 晶粒尺寸,、織構(gòu)強(qiáng)度以及滑移系激活概率,。這一系列研究為增材制造 Ti - 6Al - 4V 合金開辟了新路徑

Fig.3 Overview of the Pareto active learning framework proposed in this study

在 α 相形態(tài)與 β 晶粒控制上,，研究顯示,，當(dāng)體積能量密度 VED 較低，也就是小于 50 J/mm³,，并且掃描速度較高,，超過 1500 mm/s 時(shí)，會(huì)促使細(xì)小的 α 板條形成,，這些 α 板條厚度在 0.71 至 0.97μm 之間,。大量細(xì)小 α 板條的出現(xiàn)，增加了晶界密度,，進(jìn)而有效提升了合金的強(qiáng)度,。同時(shí)，中溫?zé)崽幚�,，�?595°C 這個(gè)溫度下進(jìn)行處理,，能夠很好地保留合金的細(xì)晶結(jié)構(gòu)，避免 β 晶粒出現(xiàn)粗化現(xiàn)象,。

織構(gòu)與滑移系激活方面,，當(dāng) VED 較高，大于 90 J/mm³ 時(shí),，(0001)α 織構(gòu)強(qiáng)度會(huì)降低,，這一變化促進(jìn)了多滑移系的激活。具體來說，Schmid 因子大于 0.4 的區(qū)域占比能夠達(dá)到 54.8%,，從而顯著提升了合金的延展性,。

相組成優(yōu)化同樣有重要突破。595°C 的熱處理能夠促使 α' 馬氏體部分分解為 α + β 雙相結(jié)構(gòu),，通過這種微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)整,，成功實(shí)現(xiàn)了合金強(qiáng)度與塑性之間的平衡。這些關(guān)于微觀結(jié)構(gòu)機(jī)制的研究成果,，為進(jìn)一步提升 Ti - 6Al - 4V 合金性能提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ),，也為增材制造技術(shù)的優(yōu)化升級(jí)指明了方向。

Fig.4 Results of active learning iterations

結(jié)論
1. 框架有效性驗(yàn)證

科研人員借助 Pareto 主動(dòng)學(xué)習(xí)框架,，僅通過 5 輪迭代,，也就是區(qū)區(qū) 10 組實(shí)驗(yàn)，就成功定位到了最優(yōu)參數(shù)組合,。這一成果簡(jiǎn)直令人驚嘆,，要知道,，相比傳統(tǒng)的試錯(cuò)法,，其效率提升了大約 30 倍之多！

其中,，EHVI 函數(shù)發(fā)揮了關(guān)鍵作用,。它巧妙地在探索高不確定性區(qū)域與開發(fā)高預(yù)測(cè)性能區(qū)域之間尋找到了平衡，成功克服了長(zhǎng)期以來困擾行業(yè)的強(qiáng)度 - 延展性權(quán)衡難題,。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,，利用該框架優(yōu)化后的 Ti - 6Al - 4V 合金，其微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出令人驚喜的特征,。不僅具備高強(qiáng)度,，體現(xiàn)為細(xì)晶結(jié)構(gòu)以及較高的織構(gòu)，同時(shí)還擁有高延展性,，這得益于多滑移系的激活,。這一突破性進(jìn)展，為 Ti - 6Al - 4V 合金在航空航天,、醫(yī)療等眾多領(lǐng)域的更廣泛應(yīng)用,，奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

Fig.5 Predicted UTS and TE values, and probability density function of selected combinations

2. 應(yīng)用前景與擴(kuò)展

在增材制造 Ti - 6Al - 4V 合金領(lǐng)域取得重大突破的 Pareto 主動(dòng)學(xué)習(xí)框架,，其應(yīng)用前景可謂一片光明,！據(jù)科研人員介紹，這一先進(jìn)方法不僅在 Ti - 6Al - 4V 合金研究中成效顯著,，還具備強(qiáng)大的推廣性,，能夠拓展至其他多種合金體系。像鎳基高溫合金、鋁合金等,，都有望借助這一框架實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化與提升,。

尤為值得關(guān)注的是，該框架還支持多目標(biāo)優(yōu)化,，除了強(qiáng)度和延展性,，諸如疲勞壽命、耐腐蝕性等重要性能指標(biāo),，都能通過這一框架進(jìn)行同步優(yōu)化,。不僅如此，若將該方法與物理仿真手段,，比如相場(chǎng)模擬,、熱力學(xué)計(jì)算相結(jié)合，預(yù)測(cè)精度還能得到進(jìn)一步提升,。這在數(shù)據(jù)稀缺的新材料開發(fā)過程中,，優(yōu)勢(shì)尤為突出，潛力巨大,�,？梢灶A(yù)見，Pareto 主動(dòng)學(xué)習(xí)框架將在材料科學(xué)領(lǐng)域掀起新的變革浪潮,。

Fig.6 Microstructure analyses for strength evolution in 1-1, 2-1, 3-1, and 3-2 samples

深度洞察

首先是它的創(chuàng)新性與優(yōu)勢(shì),。在方法創(chuàng)新方面，這可是首次把 Pareto 主動(dòng)學(xué)習(xí)運(yùn)用到增材制造參數(shù)優(yōu)化中,。它通過 EHVI 函數(shù),，能夠特別高效地找到多目標(biāo)的最優(yōu)解，這就為復(fù)雜材料體系的開發(fā)提供了全新的模式,。大家想想,，這是之前沒有過的新思路，很關(guān)鍵,。在工程價(jià)值上,，它的表現(xiàn)也十分突出。只需要 10 組關(guān)鍵實(shí)驗(yàn),，就能顯著降低實(shí)驗(yàn)成本,，同時(shí)大大加快高性能合金的研發(fā)周期，這種優(yōu)勢(shì)在工業(yè)化生產(chǎn)場(chǎng)景里非常適用,，意味著能節(jié)省大量的時(shí)間和資源,。

再來看行業(yè)影響。這個(gè)框架給增材制造工藝的智能化調(diào)控提供了切實(shí)可行的方案,。在航空航天,、醫(yī)療器械等領(lǐng)域,，對(duì)于高性能定制化部件的生產(chǎn)，它有著很大的推動(dòng)作用,。因?yàn)樗�能夠助力�?shí)現(xiàn) “材料 - 工藝 - 性能” 一體化設(shè)計(jì),，把這三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)緊密聯(lián)系起來，從整體上提升產(chǎn)品質(zhì)量和性能,。這對(duì)于相關(guān)行業(yè)的發(fā)展意義重大,。

Fig.7 Microstructure analysis for ductility evolution in 1-1, 2-1, 3-1, and 3-2  samples

文獻(xiàn)來源：Lee, J.A., Park, J., Sagong, M.J. et al. Active learning framework to optimize process parameters for additive-manufactured Ti-6Al-4V with high strength and ductility. Nat Commun 16, 931 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-56267-1