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北科大謝建新教授團(tuán)隊(duì)發(fā)表金屬頂刊《Acta》：機(jī)器學(xué)習(xí)成分設(shè)計(jì)高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金！

2021-06-30 14:44:00 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

導(dǎo)讀：通過(guò)傳統(tǒng)的試錯(cuò)法，優(yōu)化成分并改善多種復(fù)雜合金相互沖突的力學(xué)和電學(xué)性能一直非常困難。本文提出了一種機(jī)器學(xué)習(xí)策略，通過(guò)相關(guān)篩選、遞歸消除和徹底篩選關(guān)鍵合金因素，然后通過(guò)貝葉斯優(yōu)化迭代設(shè)計(jì)成分，從而設(shè)計(jì)具有卓越性能的合金。以沉淀強(qiáng)化銅合金為例，通過(guò)篩選合金因素，得到5種影響硬度（HV）的關(guān)鍵合金因素和6種影響電導(dǎo)率（EC）的關(guān)鍵合金因素。分別建立了誤差小于7%的“HV-關(guān)鍵合金因素”模型和誤差小于9%的“EC-關(guān)鍵合金因素”模型。然后，利用貝葉斯優(yōu)化和迭代優(yōu)化實(shí)驗(yàn)有效地設(shè)計(jì)了新的銅合金。設(shè)計(jì)的Cu-1.3Ni-1.4Co-0.56Si-0.03Mg 合金具有優(yōu)異的綜合力學(xué)和電學(xué)性能，實(shí)測(cè)極限拉伸強(qiáng)度（UTS）為 858MPa，EC 為 47.6%IACS。性能結(jié)果優(yōu)于報(bào)道的沉淀強(qiáng)化銅合金，實(shí)現(xiàn)了相互沖突的力學(xué)和電性能的同時(shí)改善。

Cu-Ni-Co-Si合金（C70350）等沉淀強(qiáng)化銅合金，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐腐蝕性、以及高強(qiáng)度和良好的抗疲勞性，已廣泛應(yīng)用于集成電路引線框架、電子連接器等領(lǐng)域。隨著電子元器件小型化、輕量化的發(fā)展，以及電路集成度的不斷提高，對(duì)沉淀強(qiáng)化銅合金提出了更高的綜合機(jī)械和電氣性能要求。

成分優(yōu)化是提高合金綜合性能最有效、最常用的方法之一。然而，沉淀強(qiáng)化銅合金的合金元素種類多，元素含量范圍廣，合金強(qiáng)化機(jī)制多樣且復(fù)雜，使得合金成分與性能的關(guān)系復(fù)雜，難以設(shè)計(jì)出高性能的合金成分。相關(guān)研究已經(jīng)表明，機(jī)器學(xué)習(xí)可以通過(guò)先進(jìn)的算法建立材料成分與性能之間的定量關(guān)系，實(shí)現(xiàn)材料成分的高效合理設(shè)計(jì)。作者之前的工作應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)方法建立了直接以合金性能為輸入，以合金成分（元素和含量）為輸出的面向性能的合金成分設(shè)計(jì)系統(tǒng)（MLDS），實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)集中有限元素類型的銅合金成分逆向設(shè)計(jì)。另一方面，成分對(duì)合金結(jié)構(gòu)和性能的影響性質(zhì)與元素的物理化學(xué)特性有關(guān)。因此，在我們之前的工作中，提出了一種結(jié)合相關(guān)性篩選、遞歸消除和窮舉方法來(lái)篩選影響合金性能的關(guān)鍵元素特征的方法，然后根據(jù)關(guān)鍵元素特征的影響合理設(shè)計(jì)合金成分。

為了提高合金成分設(shè)計(jì)的效率，適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)策略是關(guān)鍵問(wèn)題。貝葉斯優(yōu)化策略通過(guò)計(jì)算和比較效用函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)合金成分的高效設(shè)計(jì)。“預(yù)期改進(jìn)（EI）”函數(shù)是一種常用的效用函數(shù)。它針對(duì)同一樣本數(shù)據(jù)集建立一組模型，得到預(yù)測(cè)平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，然后計(jì)算并比較EI，得到性能進(jìn)一步改進(jìn)的組件設(shè)計(jì)方案，解決單個(gè)模型可能存在的不確定性。因此，它具有很高的優(yōu)化效率，并已應(yīng)用于多種材料設(shè)計(jì)。

在此，北京科技大學(xué)謝建新教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)析出強(qiáng)化銅合金元素種類繁多、強(qiáng)化機(jī)制復(fù)雜等因素導(dǎo)致成分設(shè)計(jì)困難的問(wèn)題，結(jié)合關(guān)鍵特征篩選和貝葉斯優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)了高性能銅合金的合理高效設(shè)計(jì)。首先采用相關(guān)篩選、遞歸消元法和窮舉法篩選出影響性能的關(guān)鍵合金因素。其次，建立以合金關(guān)鍵因素為輸入、性能為輸出的機(jī)器學(xué)習(xí)模型。然后，利用貝葉斯優(yōu)化來(lái)設(shè)計(jì)合金成分，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)迭代，以綜合優(yōu)化相互沖突的機(jī)械和電學(xué)性能。相關(guān)研究成果以題“Machine learning assisted composition effective design for precipitation strengthened copper alloys”發(fā)表在金屬頂刊Acta Materialia上。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645421004985

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本文結(jié)合關(guān)鍵合金因素篩選和貝葉斯優(yōu)化，快速優(yōu)化高性能沉淀強(qiáng)化銅合金的成分。主要結(jié)論如下：（1）采用關(guān)聯(lián)篩選→遞歸消除→窮舉篩選的方法，確定了影響沉淀強(qiáng)化銅合金HV的5種關(guān)鍵合金因素和影響EC的6種關(guān)鍵合金因素。篩選出誤差小于7%的“HV-關(guān)鍵合金因素”模型和誤差小于9%的“EC-關(guān)鍵合金因素”模型。利用該效用函數(shù)，僅經(jīng)過(guò)4次迭代和12次合金驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，就很快找到了高性能合金Cu-1.3Ni-1.4Co-0.56Si-0.03Mg。

圖1。基于合金因子篩選和貝葉斯優(yōu)化的合金成分設(shè)計(jì)策略

圖2（a）和（b）分別代表與 HV 和 EC 相關(guān)的合金因素的相關(guān)篩選和遞歸消除的結(jié)果。首先通過(guò)相關(guān)性篩選得到與HV相關(guān)的52種合金因子和與EC相關(guān)的56種合金因子，然后進(jìn)行遞歸消除。隨著遞歸消除過(guò)程的進(jìn)行，模型的誤差逐漸減小，說(shuō)明消除的合金因素對(duì)模型的貢獻(xiàn)很小，減小變量維數(shù)可以提高模型的預(yù)測(cè)精度。當(dāng)剩余合金因子數(shù)減少到 22 和 17 后，HV 模型誤差和 EC 模型誤差開(kāi)始增加，進(jìn)一步遞歸消除。說(shuō)明該方法難以進(jìn)一步降維，

圖2。合金因子篩選和建模的結(jié)果：（a）（b）相關(guān)篩選和遞歸消除，（c）（d）窮舉篩選，（e）（f） HV 模型和 EC 模型與關(guān)鍵合金因子的性能作為輸入。

圖3是數(shù)據(jù)集中樣品合金的性能和貝葉斯優(yōu)化設(shè)計(jì)的合金的實(shí)測(cè)性能的散點(diǎn)圖。結(jié)果表明，隨著迭代的進(jìn)行，設(shè)計(jì)合金的綜合性能逐漸提高。在第三次迭代中設(shè)計(jì)的 Cu-1.3Ni-1.4Co-0.56Si-0.03Mg 合金具有最佳的綜合性能，測(cè)得的 HV 和 EC 分別為 275 HV 和 47.4% IACS。第四次迭代后，測(cè)得的合金性能顯著下降。雖然如果我們繼續(xù)迭代，可以獲得更高性能的合金成分，但考慮到高效設(shè)計(jì)的需要和實(shí)驗(yàn)的高成本，我們停止了迭代。

圖3。數(shù)據(jù)集中合金的特性和貝葉斯優(yōu)化設(shè)計(jì)的合金。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)合金的性能改進(jìn)，對(duì)Cu-1.3Ni-1.4Co-0.56Si-0.03Mg合金按工業(yè)生產(chǎn)條件制備后的性能進(jìn)行了測(cè)試。參考C70350典型的工業(yè)生產(chǎn)工藝，我們制定了該合金的制備工藝為：900℃均質(zhì)化4h→850℃50%變形熱軋（厚度20mm→10mm）→固溶處理975℃2h水淬→80%變形冷軋（厚度10mm→2mm）→500℃時(shí)效處理1h→50%變形冷軋（厚度2mm→1mm）→500℃時(shí)效處理1h ，如補(bǔ)充材料中的圖 S6 所示。Cu-1.3Ni-1.4Co-0.56Si-0.03Mg合金經(jīng)過(guò)上述工藝后的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖所示圖4 （a）。測(cè)得的 UTS 和 EC 分別為 858 MPa 和 47.6% IACS。

圖4。合金性能與比較：（a）Cu-1.3Ni-1.4Co-0.56Si-0.03Mg合金的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，（b）本研究設(shè)計(jì)的合金和文獻(xiàn)報(bào)道的合金性能。

圖5。時(shí)效 Cu-1.3Ni-1.4Co-0.56Si-0.03Mg 合金的 HRTEM 顯微組織：（a）析出顯微組織，（b）（Ni, Co）2Si 析出和傅里葉變換。

圖6。三個(gè)效用函數(shù)的等值線形狀和A、B、C值的比較：O為優(yōu)化基準(zhǔn)，EI HV和EI EC均為0，目標(biāo)A代表HV增加較大，目標(biāo)B代表綜合改進(jìn)HV 和 EC，目標(biāo) C 代表 EC 的更大增加。

圖7。主要合金元素含量和性能在迭代過(guò)程中發(fā)生變化：（a） Ni+Co+Si （wt%），（b）（Ni+Co）/Si，（c）硬度，（d）導(dǎo)電性。

最后，根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)條件進(jìn)行鑄造-固溶-變形-析出處理后，所設(shè)計(jì)合金Cu-1.3Ni-1.4Co-0.56Si-0.03Mg的UTS和EC分別達(dá)到858 MPa和47.6% IACS，即優(yōu)于報(bào)道的Cu-Ni-Si系和Cu-Ni-Co-Si系合金。合金試樣中大量均勻分散、析出的條狀顆粒尺寸在10nm以下，相互近似垂直排列，有利于機(jī)械和電學(xué)性能的提高。

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