新加坡SIMTech&香港城大等人 Adv. Sci.：機器學習定制綠色4D打印新材料

一、導讀

材料、結構、工藝和性能是增材制造(AM)加工部件多功能的關鍵指標。這門技術的興起極大地促進了工業制備復雜零部件的進程。一般情況下，增材制造前需要對預熱處理，以使材料的力學性能最佳。但是預熱又導致能源的浪費和污染性氣體的排放。在各種AM技術中，激光增材制造(LAM)極具特色。在LAM過程中，材料需要經歷復雜的循環加熱，在材料內部誘導自發熱處理效應(IHT)。IHT過程可以促進硬質第二相粒子的析出，從而很好的強化合金。到目前為止，IHT效應誘發第二相粒子析出已在傳統合金中被原位觀察，但仍缺乏向新材料的普及。這種新嘗試也是極耗人力、物力和財力。機器學習是一種新興技術，通過合理的計算可以極大的減少合金開發的成本，并知道現實中合金生成的工藝。它在加速新先進材料的設計和開發方面展示了巨大潛力和能力。本工作則結合機器學習和4D打印，開發出了力學性能優異的Fe–Ni–Ti–Al馬氏體時效鋼。

二、成果掠影

近日，來自新加坡制造技術研究院譚超林博士，Xiling Yao和Youxiang Chew研究員聯合香港城市大學楊濤教授，劉錦川院士和賓夕法尼亞州立大學 T. DebRoy教授等人通過機器學習，熱力學計算，開發了一種專用于4D增材制造的Fe-20.8Ni-6.2Ti-1.7Al (wt%)新型馬氏體鋼。增材制造過程中，IHT誘導高密度Ni₃Ti在鋼中快速沉淀。這種新型的鋼抗拉強度為1538 MPa，均勻伸長率為8.1%，優于廣泛的傳統AM制備的高強度鋼。這項工作突出了原位4D打印，通過同步集成隨時間變化的沉淀硬化和3D幾何形狀，顯示出高能效和可持續性。這些發現為通過理解和利用IHT效應開發LAM定制材料提供了新見解。相關成果以“Machine Learning Customized Novel Material for Energy-Efficient 4D Printing”為題發表在Advanced Science期刊上。

三、核心創新點

(1) 巧妙的將機器學習應用于4D打印材料的開發中，突破了傳統工藝；

(2) 利用IHT效應誘導第二相粒子析出強化合金；

四、數據概覽

圖1 采用機器學習(ML)輔助Fe-Ni-Ti-Al新型馬氏體時效鋼(NMS)的成分設計原理圖。a) NMS設計中的特征選擇，b)來自thermal - calc軟件的數據收集以及代理模型中輸入成分(Ni、Ti和Al)與輸出成分(Ni3Ti沉淀和Laves相權重分數)的相關矩陣，c)各種算法的ML(隨機森林是最準確的)，d)合金元素允許范圍的成分優化，e) 490℃下不同成分的隨時間變化的動態沉淀行為(平衡為Fe)，f)最終決定成分為Fe-20.8Ni-6.2Ti-1.7Al (wt%)；

圖2 不同ML模型對Laves相和Ni₃Ti沉淀物替代模型的性能比較；(a)決定系數；b)平均絕對誤差(MAE)。RF回歸模型對c) Laves相和d) Ni₃Ti析出相的預測數據點繪制的真實數據；

圖3 機械學習定制粉末，LDED工藝和定制Fe-Ni-Ti-Al NMS的力學性能。a)粉體粒度分布。b)截面圖，c)反極圖，d)粉體相分布圖；e) CMS 3D打印后PHT形成析出相，ML定制NMS 4D打印(4DP)后IHT未PHT激發原位形成大量析出相；f)采用連續沉積和層間暫停(ILP)沉積策略制備的NMS的形貌；h)連續沉積和ILP沉積策略中隨時間變化的熱歷史(Ms = 182°C)。i) NMS(在建)和CMS的拉伸工程應力-應變曲線；j)通過現場DIC監測NMS的變形行為。

圖4 ILP沉積策略對粉末和LED處理NMS的顯微組織分析。a)深色和白色層的空間分布(圖中為TEM測試FIB提取區域)。b) BCC和FCC相的空間分布。c) TEM圖像顯示ILP樣品中存在高密度位錯。d)粉末和e)白色區域的ILP樣品顯示沒有沉淀的證據。f)暗場TEM觀測顯示大量的沉淀。g)針狀沉淀物和相關SADP的放大圖像。h)析出物的EDS作圖分析。i,j) Ni₃Ti析出相的HR-TEM分析。k) FCC-Fe基體和圓形析出相的高分辨率HAADF STEM圖像和FFTs。l)高分辨率HAADF-STEM圖像。m)現場降水行為和機理示意圖。

圖5 a) ILP樣品中微柱的位置。b,c)分別從白色(1號柱)和深色(2號柱)區域提取的微柱形態。d)來自ILP樣品(白色和深色區域)和原料粉末的柱的壓縮應力-應變曲線。e,f)粉末區微柱和暗區微柱的斷裂形貌。g)本工作中4D打印NMS的拉伸性能與AM加工的各種高強鋼的對比。

五、成果啟示

機器學習(Machine Learning)作為一種人工智能技術，在加速新先進材料的設計和開發方面展示了巨大潛力和能力。將這種新型技術與增材制造相結合，將會給相當工業材料的制備帶來新的曙光。

論文詳情：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202206607

本文由虛谷納物供稿。