近期，中科院合肥研究院核能安全技術(shù)研究所鄭明杰課題組在低活化鐵素體/馬氏體（RAFM）鋼智能設(shè)計(jì)方面取得新進(jìn)展，相關(guān)研究成果發(fā)表在國(guó)際知名期刊 Materials Science and Engineering: A 。博士研究生李孝晨為論文第一作者，鄭明杰研究員和丁文藝副研究員為共同通訊作者。
由傳統(tǒng)9Cr-1Mo鋼發(fā)展而來(lái)的RAFM鋼，因其具有良好的熱物理、熱機(jī)械和抗輻照性能，被認(rèn)為是聚變反應(yīng)堆理想的候選結(jié)構(gòu)材料之一。然而，高溫（>550 ℃）實(shí)驗(yàn)表明，RAFM鋼存在明顯的高溫軟化效應(yīng)，這嚴(yán)重限制了其高溫應(yīng)用及服役安全性。為滿足未來(lái)商用聚變堆材料更高服役溫度的要求，需要進(jìn)一步優(yōu)化RAFM鋼的高溫力學(xué)性能，這對(duì)于傳統(tǒng)的“實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)法”是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。近年來(lái)發(fā)展的機(jī)器學(xué)習(xí)方法為優(yōu)化設(shè)計(jì)高性能RAFM鋼提供了一種新的可行性途徑。目前的機(jī)器學(xué)習(xí)模型主要是建立從成分和工藝參數(shù)到性能的正向模型，并從巨大的虛擬空間中篩選出良好的候選組合，還無(wú)法有效實(shí)現(xiàn)面向性能的逆向設(shè)計(jì)（即“按需設(shè)計(jì)”）。
鑒于此，課題組研究人員提出了一種“按需設(shè)計(jì)”的機(jī)器學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)策略，并設(shè)計(jì)制備出高溫拉伸性能優(yōu)異的新型RAFM鋼。首先，選擇梯度提升回歸算法構(gòu)建預(yù)測(cè)RAFM鋼拉伸性能的正向模型；然后，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法建立逆向模型，對(duì)給定的拉伸性能提供可能的成分和熱處理參數(shù)的候選組合。最后，將正向模型和逆向模型相結(jié)合，建立智能設(shè)計(jì)模型（如圖1所示），用于實(shí)現(xiàn)RAFM鋼的“按需設(shè)計(jì)”。通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該智能設(shè)計(jì)模型的有效性，并應(yīng)用該模型設(shè)計(jì)制備了新型RAFM鋼。其在600 ℃的測(cè)試溫度下，極限抗拉強(qiáng)度（UTS）為539 MPa，總延伸率（TE）為20.6%。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)目標(biāo)值基本一致，并且在TE值不明顯損失的情況下，600 ℃的UTS值比傳統(tǒng)RAFM鋼高100 MPa以上（如圖2所示）。
綜上，研究人員構(gòu)建的智能設(shè)計(jì)模型實(shí)現(xiàn)了RAFM鋼的“按需設(shè)計(jì)”，并將有助于促進(jìn)RAFM鋼等先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計(jì)研發(fā)。
該項(xiàng)研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃及國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。
文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.142891
