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Active learning prediction and electromagnetic levitation measurement of metastable liquid properties of Ti-Al-Zr alloy

Ti-Al-Zr合金亞穩(wěn)液態(tài)性質(zhì)的主動(dòng)學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)與電磁懸浮測(cè)量

作者信息：

R.L. Xiao, K.L. Liu, H.R. Li, Y. Ruan

MOE Key Laboratory of Materials Physics and Chemistry under Extraordinary Conditions, 

Northwestern Polytechnical University, Xi' an, 710072, China

https://doi.org/10.1016/j.revmat.2025.100004

文章介紹：

考慮到其低密度、高比強(qiáng)度、耐燒蝕性、優(yōu)異的高溫力學(xué)性能以及出色的抗氧化性，Ti-Al基合金作為一種新興材料，在航空航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。它們已被用于航天器蒙皮、控制面以及航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等關(guān)鍵高溫部件中。盡管研究人員在提升Ti-Al基合金的服役性能方面已開展了大量工作，但仍需進(jìn)一步突破。

液態(tài)熱物性的精確測(cè)定對(duì)于優(yōu)化制造工藝至關(guān)重要，而液態(tài)結(jié)構(gòu)的理解有助于揭示其液-固相變過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)性能的進(jìn)一步優(yōu)化。在實(shí)驗(yàn)方面，研究人員利用地面或空間站的電磁懸?。‥ML）裝置研究了Ti-Al、Ti-Al-Nb、Ti-Al-Ta 和 Ti-Al-Cr-Nb 等合金的熱物性參數(shù)。此外，還采用同步輻射微束X射線衍射技術(shù)對(duì)Ti-Al合金的液-固轉(zhuǎn)變過(guò)程進(jìn)行了原位研究。在模擬方面，研究者基于密度泛函理論（DFT）開展了從頭算分子動(dòng)力學(xué)（AIMD）模擬，探討了化學(xué)成分對(duì)Ti-Al合金熱力學(xué)性質(zhì)和液態(tài)結(jié)構(gòu)的影響。此外，還構(gòu)建了適用于Ti-Al、Ti-Al-Nb和Ti-Al-Ni合金的經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)（MD）經(jīng)驗(yàn)勢(shì)函數(shù)，這些勢(shì)函數(shù)主要基于固態(tài)構(gòu)建，但其對(duì)液態(tài)合金預(yù)測(cè)能力的準(zhǔn)確性仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。

盡管實(shí)驗(yàn)測(cè)量和第一性原理計(jì)算具有較高的可靠性，但其成本較高且效率較低。相較之下，經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)模擬效率較高，但預(yù)測(cè)精度略遜一籌。近年來(lái)，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）等機(jī)器學(xué)習(xí)方法的快速發(fā)展，為材料性能預(yù)測(cè)提供了一種兼具精度和效率的新途徑。

本研究基于Zr元素在提升Ti-Al合金力學(xué)性能、抗氧化性、抗輻照性以及工藝適應(yīng)性和可焊接性方面的積極作用，選取Ti-Al-Zr合金作為研究對(duì)象。我們分析了快速凝固態(tài)Ti-Al-Zr合金的顯微組織與相組成，并通過(guò)基于Deep Potential Generator（DPGEN）的主動(dòng)學(xué)習(xí)方法，構(gòu)建了液態(tài)Ti-Al-Zr合金的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)勢(shì)函數(shù)，從而獲得其熱物性參數(shù)。此外，還揭示了液態(tài)合金中的結(jié)構(gòu)演化行為。