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机器学习在金属材料服役性能预测中的应用

工程科学学报 2024年第1期46卷 120-136页

作者：李丰范匡健隆季佳浩商春磊吴宏辉汪水泽毛新平北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 北京科技大学碳中和创新研究院北京材料基因工程高精尖创新中心北京100083

在材料基因工程的背景下,数据驱动的机器学习技术推动着材料研究进入了新的范式.机器学习能够充分利用已有的实验数据,在不明晰机制原理的情况下实现对材料服役性能的准确预测,极大地减少了实验所需的时间与成本.本文以机器学习预测金... 详细信息

在材料基因工程的背景下,数据驱动的机器学习技术推动着材料研究进入了新的范式.机器学习能够充分利用已有的实验数据,在不明晰机制原理的情况下实现对材料服役性能的准确预测,极大地减少了实验所需的时间与成本.本文以机器学习预测金属材料的典型服役性能为主题,总结并分析了四种预测金属材料服役性能的常用机器学习模型.以疲劳、蠕变、腐蚀这三种常见的服役性能为代表,介绍了机器学习在这三个性能方面的研究情况,并列举了几个具体的案例进行简要分析.最后,总结了机器学习预测金属材料服役性能的特点,分析了当下机器学习预测金属材料服役性能存在的一些科学问题,并对其发展前景进行了讨论和展望.

关键词：机器学习数据驱动服役性能材料数据

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电催化还原氮制氨的最新进展

Chinese Journal of Catalysis 2024年第5期60卷 107-127页

作者：海广通富忠恒刘欣黄秀兵浙江大学衢州研究院浙江衢州324000 清华大学化工系膜技术与工程研究中心北京100084 北京科技大学新材料与技术研究所北京材料基因工程高精尖创新中心北京100083 加拿大国立科学研究院能源材料通讯中心瓦雷纳斯加拿大北京科技大学材料科学与工程学院北京材料基因工程高精尖创新中心北京100083

氮还原反应在生态系统、农业系统和工业氮循环中发挥着至关重要的作用.然而,由于氮气在水中的溶解度低,N≡N三键结构稳定,且存在与析氢反应的激烈竞争,因此目前电化学氮还原反应面临着产率缓慢、法拉第效率低等挑战.尽管研究者们通过不... 详细信息

氮还原反应在生态系统、农业系统和工业氮循环中发挥着至关重要的作用.然而,由于氮气在水中的溶解度低,N≡N三键结构稳定,且存在与析氢反应的激烈竞争,因此目前电化学氮还原反应面临着产率缓慢、法拉第效率低等挑战.尽管研究者们通过不懈的努力已经在该领域取得了显著的进展,但距离其实际应用仍有较大差距.因此,如何通过多方面的调控手段,尽早实现人工固氮的工业化生产,成为当前该领域亟待解决的关键问题.本文系统梳理了电催化还原氮制氨的最新进展.首先,对NRR的机理进行了全面介绍.详细介绍了五种备受关注的氮还原机理:解离机理、结合机理、交替机理、酶促机理以及最新发现的马尔斯-范克雷维伦机理.通过对比电催化氮还原与哈珀法催化氮还原的反应机理,阐明了电催化氮还原的优势.然后,总结了该领域最新的研究进展.详细介绍了高性能氮还原催化剂的最新设计开发成果,基于近五年的相关报道,重点介绍了Mo基催化剂、Cu基催化剂、Ru基催化剂、Bi基催化剂和Fe基催化剂的研究进展.此外,对其他过渡金属基催化剂和非金属催化剂也进行了评述和展望,并对不同催化剂的优缺点进行了系统的比较.随后,对新型氮还原反应装置的研究进展进行了综述.讨论了新型反应器对缓解氮分子低溶解度这一问题的关键作用,强调了研发新型氮还原反应装置对提升电催化氮还原性能的重要性.在NRR反应路径的调控和优化方面,本文总结了最新的研究成果,特别是Li介导的氮还原反应的重要意义,证实了反应路径的调控优化是提升氮还原性能的有效手段.更为重要的是,从目前最新的研究成果出发,提出了氮还原性能的提升需要多方面的协同调控,单一的优化手段难以突破现有的瓶颈,这为后续的研究提供了重要参考.在展望部分,强调了氮还原领域目前面临的挑战并讨论了未来的研究方向.综上,本文系统地总结了近年来的研究进展,包括高性能催化剂、新型反应设备以及氮还原反应路径的调控和优化.提升氮还原反应的整体性能需要多方面的协调调控,仅关注催化剂很难取得重大突破.本文旨在为氮还原催化剂和反应器的设计以及反应路径的调控优化提供参考.

关键词：氮还原反应电催化催化剂反应设备反应途径

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近球形TC4钛合金粉末注射成形

航空制造技术 2024年第5期67卷 110-115页

作者：田汉清陈刚刘畅魏敬浩韩龙晓秦明礼曲选辉北京科技大学新材料技术研究院北京材料基因工程高精尖创新中心北京100083

以低成本的氢化脱氢(HDH)TC4钛合金粉末为原料,通过气流磨(Jet-milled,JMed)技术对粉末进行整形改性,并进行了注射成形工艺研究。其中,分别以HDH、JMed HDH和气雾化球形(GA)3种粉末为原料,研究并对比了不同粉末原料注射成形的喂料极限... 详细信息

以低成本的氢化脱氢(HDH)TC4钛合金粉末为原料,通过气流磨(Jet-milled,JMed)技术对粉末进行整形改性,并进行了注射成形工艺研究。其中,分别以HDH、JMed HDH和气雾化球形(GA)3种粉末为原料,研究并对比了不同粉末原料注射成形的喂料极限装载量、烧结致密度、杂质含量、显微组织及力学性能等。结果表明,经气流磨处理后的JMed粉末形貌呈近球形,其球形度较未处理原始HDH粉末得到了显著提高,其喂料极限装载量(体积分数)较未处理原始HDH粉末提高了6%,在1300℃烧结2 h后,JMed粉末烧结件的致密度为98.3%,高于原始HDH粉末烧结件的致密度(95.3%),且与GA粉末烧结件的致密度(98.4%)相当;JMed粉末烧结件的室温抗拉强度为904.2 MPa,屈服强度为809.1 MPa,与GA粉末烧结件强度相当,断裂延伸率8.14%,显著优于原始HDH粉末烧结件。本研究制备的近球形HDH TC4粉末在注射成形领域展现出良好的应用前景。

关键词：粉末注射成形钛合金烧结粉体改性显微组织力学性能

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电缆绝缘材料交联聚乙烯的老化及寿命调控

物理学报 2024年第7期73卷 28-39页

作者：王江琼李维康张文业万宝全查俊伟北京科技大学化学与生物工程学院北京材料基因工程高精尖创新中心北京100083 北京智慧能源研究院北京102211 北京科技大学顺德创新学院佛山528300

交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)因其优异的力学性能和绝缘性能广泛应用于电力电缆领域中,但在高压电缆的运行过程中XLPE不可避免会受到电老化、热老化和电-热联合老化的影响,使得材料的性能和寿命下降,因此需要对XLPE的老... 详细信息

交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)因其优异的力学性能和绝缘性能广泛应用于电力电缆领域中,但在高压电缆的运行过程中XLPE不可避免会受到电老化、热老化和电-热联合老化的影响,使得材料的性能和寿命下降,因此需要对XLPE的老化性能和使用寿命进行调控.本文介绍了XLPE的结构特性和交联机理,系统分析了其老化过程及影响机制,并概述了接枝、共混和纳米粒子改性等调控策略,同时基于寿命评估模型探究了XLPE因老化而导致的寿命衰减问题.最后,展望了调控XLPE电缆绝缘材料使用寿命策略的未来方向,为XLPE电缆绝缘材料的进一步改进和长期稳定运行提供理论指导.

关键词：交联聚乙烯交联机理耐老化性能长寿命

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空位扩散诱导点缺陷环与富Cu相的相互作用

稀有金属材料与工程 2024年第3期53卷 834-840页

作者：裴嘉琪侯华杨文奎赵宇宏中北大学山西太原030051 教育部共建高性能铝/镁合金材料开发及应用协同创新中心山西太原030051 北京科技大学北京市材料基因工程高精尖创新中心北京100083 太原科技大学山西太原030024

辐照诱导产生的点缺陷会加速核电站材料微观组织的演变,在很大程度上影响反应堆的寿命。本研究基于相场法的四元连续相场模型,耦合了空位和间隙原子,利用该模型模拟了Fe-15%Cu-1%Ni-1%Mn(原子分数)合金在空位扩散机制下的相分离,研究了... 详细信息

辐照诱导产生的点缺陷会加速核电站材料微观组织的演变,在很大程度上影响反应堆的寿命。本研究基于相场法的四元连续相场模型,耦合了空位和间隙原子,利用该模型模拟了Fe-15%Cu-1%Ni-1%Mn(原子分数)合金在空位扩散机制下的相分离,研究了点缺陷与富Cu相的相互作用机制。结果表明,空位和间隙原子会促进富Cu相的长大和粗化,点缺陷浓度的升高会促进相分离,加快析出相的失稳分解速率,并且升高温度会延缓Cu原子和空位环的生长和粗化,点缺陷也可以增加一定的屈服强度,为探究空位扩散机制影响抗辐照材料性能方面提供了新的思路。

关键词：相场法点缺陷富Cu析出相空位间隙原子

粉末注射成形制备复杂薄壁TiAl合金旋流器

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材料工程 2024年

作者：刘艳军潘宇孙健卓朱郎平丁贤飞南海路新北京科技大学工程技术研究院中国航发北京航空材料研究院北京科技大学北京材料基因工程高精尖创新中心

旋流器作为航空发动机的重要部件，实现其轻量化制造对提升发动机服役性能具有重要意义。质轻高强耐热TiAl合金是一种极具应用潜力的高温结构材料，但其本征脆性大、制备加工困难，严重限制其在高性能旋流器制造方面的应用。为此，本研... 详细信息

旋流器作为航空发动机的重要部件，实现其轻量化制造对提升发动机服役性能具有重要意义。质轻高强耐热TiAl合金是一种极具应用潜力的高温结构材料，但其本征脆性大、制备加工困难，严重限制其在高性能旋流器制造方面的应用。为此，本研究采用粉末注射成形（powder injection molding，PIM）制备方法，结合水溶性芯模的模具设计及高保形聚甲醛（POM）基黏结剂开发，通过催化脱脂、热脱脂及两步烧结工艺，直接近净成形制备出复杂薄壁TiAl合金旋流器，无需机加工过程。结果表明：成分为82%（质量分数，下同）POM-5%高密度聚乙烯（HDPE）-5%乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）-8%硬脂酸（SA）的黏结剂具有较高的粉末装载量和较佳的充模性能，其喂料粉末装载量为62%（体积分数），流动行为指数n为0.56，黏流活化能E为22.95 kJ/mol，综合流变学因子为9.59；常压两步烧结方法可实现高致密度和细晶的协同控制，当烧结工艺为1430 ℃/1 h＋1250 ℃/5 h时，PIM所制备TiAl合金的致密度达到96.3%，且片层团尺寸约为100 μm，后续结合热等静压处理后实现了TiAl合金的近全致密化，所制备复杂薄壁TiAl合金旋流器的尺寸偏差为±0.1 mm，表面粗糙度Ra为1.046 μm，室温抗拉强度为577 MPa，屈服强度为466 MPa，伸长率为0.96%。

关键词： TiAl合金旋流器粉末注射成形尺寸精度表面粗糙度力学性能

粉末注射成形制备复杂薄壁TiAl合金旋流器

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材料工程 2024年

旋流器作为航空发动机的重要部件，实现其轻量化制造对提升发动机服役性能具有重要意义。质轻高强耐热TiAl合金是一种极具应用潜力的高温结构材料，但其本征脆性大、制备加工困难，严重限制其在高性能旋流器制造方面的应用。为此，本研究采用粉末注射成形（powder injection molding,PIM）制备方法，结合水溶性芯模的模具设计及高保形聚甲醛（POM）基黏结剂开发，通过催化脱脂、热脱脂及两步烧结工艺，直接近净成形制备出复杂薄壁TiAl合金旋流器，无需机加工过程。结果表明：成分为82%（质量分数，下同）POM-5%高密度聚乙烯（HDPE）-5%乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）-8%硬脂酸（SA）的黏结剂具有较高的粉末装载量和较佳的充模性能，其喂料粉末装载量为62%（体积分数），流动行为指数n为0.56，黏流活化能E为22.95 kJ/mol，综合流变学因子为9.59；常压两步烧结方法可实现高致密度和细晶的协同控制，当烧结工艺为1430℃/1 h+1250℃/5 h时，PIM所制备TiAl合金的致密度达到96.3%，且片层团尺寸约为100μm，后续结合热等静压处理后实现了TiAl合金的近全致密化，所制备复杂薄壁TiAl合金旋流器的尺寸偏差为±0.1 mm，表面粗糙度Ra为1.046μm，室温抗拉强度为577 MPa，屈服强度为466 MPa，伸长率为0.96%。

关键词： TiAl合金旋流器粉末注射成形尺寸精度表面粗糙度力学性能

DFA-ODENets:面向周期多阶段复杂系统的预测仿真框架

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工程科学学报 2024年第1期46卷 137-147页

作者：李潇睿宁春宇袁兆麟班晓娟北京科技大学北京材料基因工程高精尖创新中心北京100083 北京科技大学智能科学与技术学院北京100083 北京科技大学材料领域知识工程北京市重点实验室北京100083 辽宁材料实验室材料智能技术研究所沈阳110004

部分复杂系统受内外部因素影响在运行时会呈现出周期性的阶段变化,且在不同阶段具有完全不同的动态特性.因此在使用数据驱动方法解决此类系统的预测和仿真问题时,使用单一结构模型难以准确地学习系统在不同阶段的动态特性.本研究提出了... 详细信息

部分复杂系统受内外部因素影响在运行时会呈现出周期性的阶段变化,且在不同阶段具有完全不同的动态特性.因此在使用数据驱动方法解决此类系统的预测和仿真问题时,使用单一结构模型难以准确地学习系统在不同阶段的动态特性.本研究提出了基于确定性有限状态机-常微分方程网络的预测仿真框架(DFA-ODENets),以建模周期多阶段系统.该模型由多个ODENet组成,每个ODENet能够从不规则采样的序列数据中学习系统在各个阶段内的动态特性.同时模型集成了基于确定性有限状态自动机思想的阶段转换预测器以实现模型预测时在不同阶段之间自动转换.最后,将DFA-ODENet框架应用于某计算中心制冷系统的预测仿真场景中.模型能够在给定系统运行过程中的服务器负载和环境温度下模拟系统运行过程,并对系统的制冷功率、进气口温度等主要输出变量进行预测.其中,对于制冷系统能耗预测的平均相对误差在5%以内.同时,利用制冷系统仿真模型优化了系统停止制冷时的温度设定值,通过仿真实验表明该优化最高可以节省18%的制冷能耗.

关键词：复杂系统建模周期多阶段系统神经常微分网络多输入多输出时间序列预测制冷系统能耗优化

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金属3D打印数字化制造研究进展

金属学报 2024年第5期60卷 569-584页

作者：刘壮壮丁明路谢建新北京科技大学新材料技术研究院材料先进制备技术教育部重点实验室北京100083 北京科技大学新材料技术研究院现代交通金属材料与加工技术北京实验室北京100083 北京科技大学新材料技术研究院北京材料基因工程高精尖创新中心北京100083

数字化制造将传统的制造过程转化为数字模型,实现对整个制造流程的智能控制,进而快速生产出满足要求的产品。金属3D打印是一个具有多物理场强耦合作用、过程强时变扰动、内禀关系非线性以及多变量与多目标等特点的复杂物理过程,实现金... 详细信息

数字化制造将传统的制造过程转化为数字模型,实现对整个制造流程的智能控制,进而快速生产出满足要求的产品。金属3D打印是一个具有多物理场强耦合作用、过程强时变扰动、内禀关系非线性以及多变量与多目标等特点的复杂物理过程,实现金属3D打印全流程的数字化控制,有望解决当前3D打印零件质量一致性和性能稳定性低的瓶颈问题,推动高质量3D打印技术的发展。本文首先分析了金属3D打印的技术特征和数字化制造的基本内涵,随后从3D打印过程数据在线监测、数字化仿真、物理与信息系统交互3个方面综述了金属3D打印数字化制造的研究进展,最后讨论了数字化制造在金属3D打印领域的未来研究重点,展望了发展前景。

关键词： 3D打印增材制造机器学习数字化制造