在高溫合金服役中，蠕變斷裂是其主要的失效形式之一，因此準確預測蠕變壽命對于科學設計和確保高溫合金的可靠安全使用至關重要。近年來，隨著計算科學的迅猛發(fā)展，機器學習在預測高溫合金蠕變壽命方面取得了顯著成就。例如，結合高通量實驗和引入物理信息描述符的機器學習算法預測蠕變壽命，提高模型精度與解釋性。然而，在使用化學成分作為輸入特征來預測蠕變性能，熱處理工藝在模型中的作用往往被忽視。這限制了機器學習模型的泛化性能和解釋性。因此通過全面考慮熱處理工藝對蠕變性能的影響，提高機器學習模型的預測精度和解釋性，對該領域的發(fā)展至關重要。

河北科技大學蘇孺教授團隊聯(lián)合德國馬普所和北京科技大學的學者提出了一種基于領域專業(yè)知識增強的機器學習模型，用于高溫合金蠕變壽命的可解釋性預測。通過評估熱處理工藝對高溫合金蠕變性能的影響，成功實現(xiàn)了高精度的蠕變壽命預測。這項工作基于成分-工藝-性能之間的聯(lián)系，采用了嵌入領域專業(yè)知識的分類和回歸模型，深入研究了熱處理工藝對高溫合金蠕變性能的影響，成功評估了熱處理工藝并準確預測了高溫合金的蠕變壽命，最終實現(xiàn)了對熱處理工藝的逆向優(yōu)化，將蠕變性能提升了5.5倍以上。相關工作以題為“Interpretable predicting creep rupture life of superalloys: enhanced by domain-specific knowledge”的研究性文章發(fā)表在《Advanced Science》。河北科技大學碩士研究生殷嘉維為論文第一作者，馬普所饒梓元研究員、河北科技大學吳大勇副教授、蘇孺教授為論文的通訊作者。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202307982

圖1.整體方法概述：(a) 我機器學習的預測高溫合金蠕變壽命和評估熱處理工藝的工作流框架。(b) 逆向設計實驗驗證階段。

圖2.相關研究方法的具體流程：(Ⅰ) 對通過專業(yè)知識評估熱處理過程的步驟的示意圖，整個數(shù)據(jù)集被分為兩個子數(shù)據(jù)集；(Ⅱ) 嵌入的關鍵物理特征在評估熱處理工藝中起到的作用；(Ⅲ)基于Person相關系數(shù)完成關鍵特征的篩選，實現(xiàn)蠕變壽命的預測。

圖3.反向優(yōu)化熱處理工藝，實現(xiàn)蠕變壽命的大幅提升

本研究提出了一個基于機器學習的預測高溫合金蠕變壽命和評估熱處理工藝的工作框架。研究的主要亮點主要包括1）通過領域專業(yè)知識首次評估了熱處理工藝；2）結合高質量描述符和專業(yè)知識首次實現(xiàn)了利用機器學習模型對熱處理工藝的評估；3）通過篩選關鍵特征增強的回歸模型預測蠕變壽命（準確率達90%以上）；4）應用該模型實現(xiàn)了熱處理工藝優(yōu)化，最終在極低的實驗成本下實現(xiàn)工藝優(yōu)化。該方法考慮了關鍵特征，如熱處理過程參數(shù)和選定的微觀結構參數(shù)對高溫合金蠕變性能的影響，在簡化合金設計過程優(yōu)化熱處理工藝方面實現(xiàn)了時間和實驗成本節(jié)約。