目前，社會對具有改進的高溫使用性能的優(yōu)質(zhì)合金的需求不斷增加，需要對其成分進行精確設(shè)計。然而，篩選合金性能（如抗蠕變性和微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性）的常規(guī)方法會耗費大量時間和資源。

為此，中南大學(xué)白利春教授、黃嵐教授及譚黎明聯(lián)合新加坡南洋理工大學(xué)周琨教授等人以鎳基高溫合金為例，致力于開發(fā)一種高溫合金的高通量設(shè)計策略以加速其成分選擇并實現(xiàn)最佳性能。

首先，作者進行了高通量實驗，通過系統(tǒng)設(shè)計合金擴散倍數(shù)在單個樣品中獲得多個擴散對，并采用自動成分檢測技術(shù)快速收集成分分布。

之后，利用HitDIC軟件進行高通量計算得到包含鎳基高溫合金原子遷移率和互擴散率的數(shù)據(jù)庫。然后使用該數(shù)據(jù)庫來提高Lifshitz-Slyozof-Wagner（LSW）粗化和最小蠕變速率（MCR）模型的準(zhǔn)確性，該模型可用于評估鎳基高溫合金的γ’粗化和蠕變行為。這對于確定這些合金的機械性能和微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性非常重要，通過將這些預(yù)測與文獻進行比較驗證了模型預(yù)測的準(zhǔn)確性。

圖1. 鎳基高溫合金互擴散系數(shù)的高通量測定

接下來，作者采用無監(jiān)督機器學(xué)習(xí)，即通過使用K-均值聚類算法根據(jù)其蠕變速率和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對鎳基合金的成分進行分類。然后可以確定具有最佳抗蠕變性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的成分范圍，其中獲得了超過648000種具有不同成分的鎳基合金并最終確定了綜合最優(yōu)性能的兩種合金。通過實驗驗證了選擇的可靠性，這兩種鎳基合金在高溫下表現(xiàn)出比其他成分的合金更高的優(yōu)異抗蠕變性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。該設(shè)計策略的高精度和高效率歸因于3個方面：

（1）多組分擴散偶方法比傳統(tǒng)的擴散偶方法具有更高的效率；

（2）開發(fā)了多組分鎳基高溫合金的原子遷移率數(shù)據(jù)庫來計算關(guān)鍵的有效擴散系數(shù)；

（3）細化的LSW粗化和MCR模型在預(yù)測粗化率常數(shù)和MCR方面具有更高的準(zhǔn)確性。

總之，該高通量設(shè)計策略可有效地加速多組分材料的開發(fā)，包括鈦基、鋁基、鐵基，甚至高熵合金。此外，這種策略能夠應(yīng)對在無限成分空間中發(fā)現(xiàn)新型合金的挑戰(zhàn)，從而滿足高溫材料的增長需求。

圖2. 機器學(xué)習(xí)輔助合金設(shè)計的驗證

High-Throughput Method-Accelerated Design of Ni-Based Superalloys, Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202109367