اكتشاف جديد لسبائك عالية الإنتروبيا! تتعاون عدة فرق معًا لتحقيق تنبؤ عالي الدقة لمقاومة الأكسدة. يمكن أن يؤدي زيادة محتوى الألومنيوم/الكروم/السيليكون إلى تحسين فعال
باعتبارها أحد أهم المكونات في محرك الطائرة، تحتاج شفرات التوربينات إلى العمل بشكل مستمر في درجات حرارة عالية تتجاوز 1000 درجة مئوية مع تحمل ضغوط ميكانيكية هائلة. في عام 2018، تعرضت طائرة ركاب تجارية تابعة لشركة Southwest Airlines فجأة لعطل في المحرك أثناء الرحلة، مما أدى إلى هبوطها اضطراريا. وتوصلت التحقيقات اللاحقة إلى أن السبب الجذري للفشل هو الأكسدة والتآكل لشفرات توربينات المحرك في بيئة ذات درجة حرارة عالية، مما أدى في النهاية إلى فشل هيكلي.
لم يتسبب هذا الحادث في خسائر فادحة لشركات الطيران فحسب، بل جعل العلماء يدركون أيضًا:لقد وصلت المواد التقليدية ذات درجات الحرارة العالية إلى حدود أدائها، وهناك حاجة ماسة إلى مادة أكثر قوة لمواجهة التحديات المستقبلية.
لفترة طويلة، كانت السبائك الفائقة القائمة على النيكل هي المادة المفضلة لتصنيع شفرات التوربينات، ولكن مع التحسين المستمر لأداء محرك الطائرات، اقترب أداء السبائك الفائقة القائمة على النيكل تدريجيًا من حدوده. بدأ العلماء في البحث عن مواد جديدة يمكنها العمل بشكل مستقر في درجات حرارة أعلى وفي بيئات أكثر قسوة. ثم،ظهرت السبائك الحرارية العالية الإنتروبيا (RHEAs) والسبائك الحرارية المركبة العالية الإنتروبيا (RCCAs).
تتميز هذه المواد الجديدة بأداء مذهل في درجات الحرارة العالية بسبب تركيبها وبنيتها الفريدة، ويُطلق عليها "الأمل للجيل القادم من المواد ذات درجات الحرارة العالية". لكن السؤال الذي يطرح نفسه أيضًا: كيف يمكننا التنبؤ بسرعة ودقة بخصائص مضادات الأكسدة لهذه المواد الجديدة في البيئات ذات درجات الحرارة العالية؟
إن الطرق التقليدية لا تستغرق وقتا طويلا وتتطلب جهدا كبيرا فحسب، بل إنها أيضا صعبة التعامل مع تنوع أنظمة السبائك المعقدة. مؤخرًا، قام فريق بحثي مشترك من جامعة بوردو في فرنسا، والمعهد الوطني لعلوم المواد في اليابان، وجامعة تسينغ هوا الوطنية في تايوان، الصين، وجامعة لوفين في بلجيكا، ومعهد WEL في بلجيكا،تم تحقيق التنبؤ عالي الدقة لخصائص مضادات الأكسدة لـ RHEAs و RCCAs بنجاح من خلال تقنية شجرة قرار التعزيز المتدرج (GBDT).وقد أحدثت ثورة في مجال علم المواد.
نُشرت النتائج ذات الصلة في مجلة Scripta Materialia، وهي مجلة متخصصة في مجال علوم المواد، تحت عنوان "تطوير سبائك عالية الإنتروبيا المقاومة للحرارة باستخدام نماذج التنبؤ بالذكاء الاصطناعي لمقاومة الأكسدة في درجات الحرارة العالية".
رابط الورقة:
https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2024.116394
يجمع مشروع المصدر المفتوح "awesome-ai4s" أكثر من 200 تفسير لورقة AI4S ويوفر مجموعات بيانات وأدوات ضخمة:
https://github.com/hyperai/awesome-ai4s
من المتوقع أن يحل الذكاء الاصطناعي مشكلة التنبؤ بالأكسدة في البحث عن بديل مثالي للسبائك الفائقة القائمة على النيكل
إن التطور السريع للصناعة الحديثة لا ينفصل عن الابتكار المستمر في علم المواد. من الفضاء إلى تطوير الطاقة، ومن الأجهزة الإلكترونية إلى الأجهزة الطبية، فإن كل قفزة تكنولوجية تصاحبها ولادة مواد جديدة. ومن بينها، تلعب السبائك ذات درجات الحرارة العالية دائمًا دورًا أساسيًا بسبب أدائها المتميز.
السبائك عالية الحرارة هي مادة عالية الأداء يمكنها الحفاظ على القوة العالية ومقاومة الأكسدة ومقاومة التآكل الساخن ومقاومة التعب وصلابة الكسر والبنية الداخلية المستقرة في بيئات ذات درجات حرارة عالية للغاية. ويتكون بشكل أساسي من عناصر مثل الحديد والنيكل والكوبالت، ويضاف إليه عناصر مثل التيتانيوم والألمنيوم والكروم والموليبدينوم والتنجستن.اعتمادًا على عناصر المصفوفة، يمكن تقسيم السبائك ذات درجات الحرارة العالية إلى ثلاث فئات: سبائك تعتمد على الحديد، وسبائك تعتمد على النيكل، وسبائك تعتمد على الكوبالت.
ومن بينها، تُستخدم عادةً سبائك الحديد عالية الحرارة في أجزاء المحرك ذات درجات حرارة التشغيل المنخفضة؛ تُستخدم السبائك عالية الحرارة القائمة على النيكل على نطاق واسع في الأجزاء الأكثر سخونة من محركات الطائرات والتوربينات الغازية الصناعية بسبب قوتها الممتازة في درجات الحرارة العالية، حيث تمثل حوالي 80% من الطلب الإجمالي على السبائك عالية الحرارة؛ تُعد السبائك عالية الحرارة المعتمدة على الكوبالت الخيار الأمثل لمواد شفرة التوجيه نظرًا لقدرتها الممتازة على الصب واللحام.
بين أنظمة السبائك الأربعة الرئيسية ذات درجات الحرارة العالية في العالم، تحتل السبائك القائمة على النيكل مكانة أساسية ومهمة للغاية. في السنوات الأخيرة، أصبحت السبائك الحرارية العالية الإنتروبيا (RHEAs) والسبائك الحرارية المركبة العالية الإنتروبيا (RCCAs) مواد مرشحة مهمة للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية. تتميز هذه السبائك بخليط من عدة عناصر حرارية رئيسية (مثل Zr، Hf، V، Nb، Ta، Cr، Mo، W و Re) مع إضافات صغيرة من Al أو Si أو Ti.إنها تتميز عمومًا بخصائص ميكانيكية متفوقة ونقاط انصهار أعلى من المواد التقليدية ويمكنها تحمل درجات حرارة تتجاوز 1000 درجة مئوية.وهو يوفر منافسة قوية للسبائك الفائقة القائمة على النيكل. ومع ذلك، فإن تطوير RHEAs وRCCAs يواجه أيضًا تحديات كبيرة. إنها تتأكسد بسهولة، وهو أمر بارز بشكل خاص في العديد من البيئات ذات درجات الحرارة العالية وقد يضعف خصائصها الميكانيكية بشكل خطير.
على الرغم من أن عملية الأكسدة ذات درجة الحرارة المرتفعة يتم التحكم فيها بواسطة عوامل ديناميكية حرارية وحركية معقدة، تتضمن تكوين طبقة الأكسيد ونموها وإذابتها وتفتتها. لكن لفترة طويلة، اعتمد الباحثون بشكل أساسي على الملاحظات التجريبية والنماذج الفيزيائية المعقدة للتنبؤ بسلوك أكسدة السبائك، ولكن هذه الطرق التقليدية لها قيود كبيرة.
مع التطور المستمر لتكنولوجيا الذكاء الاصطناعي، وفرت طرق الحوسبة عالية الإنتاجية وتقنيات التوصيف المتقدمة أفكارًا جديدة لدراسة RHEAs وRCCAs.
"لحظة مميزة" من XGBoost: زيادة محتوى Al وCr وSi يمكن أن يحسن بشكل فعال مقاومة الأكسدة للسبائك
يعتمد أداء نماذج الذكاء الاصطناعي بشكل كبير على جودة بيانات التدريب. للتنبؤ بمقاومة الأكسدة للسبائك، يحتاج الباحثون إلى بناء مجموعة بيانات دقيقة تربط بين التركيب الكيميائي للسبائك، وظروف الأكسدة (مثل درجة الحرارة والوقت)، ومقاييس مقاومة الأكسدة (مثل اكتساب الكتلة). ومع ذلك، فإن سلوك أكسدة السبائك ينطوي على عمليات فيزيائية وكيميائية معقدة، بما في ذلك انتشار العناصر، والتغيرات الدقيقة، واستقرار الأكسيد، والتفاعلات البيئية.في الوقت الحالي، لا توجد قاعدة بيانات كبيرة متاحة بسهولة للاستخدام المباشر في المجتمع العلمي.
ولتحقيق هذه الغاية، قام الباحثون في هذه الدراسة "بالاطلاع" على الأدبيات المنشورة واستخراج كمية كبيرة من البيانات التجريبية.تم إنشاء مجموعة بيانات شاملة تحتوي على 886 ملاحظة.وتغطي البيانات السبائك الحرارية التقليدية ومركبات RHEAs/RCCAs المكونة من 11 عنصرًا (Al، Cr، Hf، Mo، Nb، Si، Ta، Ti، V، W وZr)، مع سجلات مفصلة لتركيب السبائك ودرجة حرارة اختبار الأكسدة ووقت التعرض. يمكن التحكم في هذه الوصافات أثناء عملية تصنيع السبائك وتضع الأساس لنمذجة التعلم الآلي اللاحقة.
لفهم العلاقة بين مكونات السبائك المختلفة في مجموعة البيانات بشكل أكثر بديهية، قام الباحثون بتصور البيانات، باستخدام 163 عقدة لتمثيل سبائك مختلفة واستخدام لون كل عقدة للإشارة إلى العنصر الذي يحتوي على أعلى نسبة مولية. وتظهر النتائج أنتم تشكيل ثلاث مناطق رئيسية ذات تركيز عالٍ في مجموعة البيانات.كما هو موضح في الشكل أدناه: المنطقة الزرقاء يهيمن عليها Al، والمنطقة البرتقالية يهيمن عليها Cr، والمنطقة الأرجوانية يهيمن عليها Nb. تعكس هذه المناطق أهمية العناصر المختلفة في تصميم السبائك.
لإثراء مجموعة البيانات بشكل أكبر،قام الباحثون باستخراج تسعة مكونات بشكل عشوائي من هذه المناطق ذات التركيز العالي وقاموا بتصنيع تسعة سبائك "عشوائية" باستخدام تقنية الصهر القوسي.إن إضافة هذه السبائك الجديدة لا يؤدي إلى توسيع تنوع مجموعة البيانات فحسب، بل يوفر أيضًا المزيد من العينات لتدريب النموذج والتحقق من صحته.
وبما أن مجموعة البيانات كانت صغيرة نسبيًا وأن نشاط مضادات الأكسدة يتضمن علاقات غير خطية معقدة، فقد اختار الباحثون خوارزمية XGBoost (التعزيز المتدرج الشديد)، وهو نموذج شجرة قرار معزز بالتدرج فعال (GBDT). تشتهر XGBoost بقدرتها على التعامل مع العلاقات غير الخطية وتفاعلات الميزات.مناسب جدًا لحل هذا النوع من المشاكل.
بعد تدريب النموذج على مجموعة البيانات الكاملة المكونة من 886 ملاحظة، أظهرت النتائج أن XGBoost يعمل بشكل جيد على مقاييس الأداء المتعددة.وبالمقارنة مع نموذج الانحدار الخطي المتعدد التقليدي (MLR)، حقق XGBoost تحسينات كبيرة في معامل التحديد (R²)، وخطأ الجذر التربيعي المتوسط (RMSE)، ومتوسط الخطأ المطلق (MAE). وهذا يعني أن XGBoost يمكنه التنبؤ بمقاومة الأكسدة للسبائك بشكل أكثر دقة.
ولفهم العوامل التي كان لها التأثير الأكبر على قدرة مضادات الأكسدة بشكل أعمق، قام الباحثون بحساب قيم SHAP (تفسيرات شابلي المضافة)، وهي طريقة لشرح مخرجات نماذج التعلم الآلي. وتظهر النتائج:
* تعتبر درجة حرارة الأكسدة والوقت من العوامل الرئيسية التي تؤثر على مقاومة الأكسدة. كلما ارتفعت درجة الحرارة وطالت المدة، كلما زادت كتلة السبائك وساءت مقاومة الأكسدة.
* ارتبطت تركيزات Nb وZr وV وTi وW وHf بشكل إيجابي بزيادة الكتلة، مما يشير إلى أن هذه العناصر لها تأثير سلبي على مقاومة الأكسدة.
* على العكس من ذلك، فإن زيادة تركيزات Al وMo وCr وTa وSi تقلل من اكتساب الكتلة وبالتالي تعزز مقاومة الأكسدة.
ولا تؤكد هذه النتائج القوانين العلمية المعروفة فحسب، بل توفر أيضًا إرشادات مهمة لتصميم السبائك المستقبلية. على سبيل المثال،إن زيادة محتوى Al (الألومنيوم) وCr (الكروم) وSi (السيليكون) يمكن أن يحسن بشكل فعال مقاومة الأكسدة للسبائك.
صعود صناعة السبائك عالية الحرارة في الصين ودعم الذكاء الاصطناعي
في مجال علوم المواد العالمي، لطالما اعتُبرت السبائك عالية الحرارة موادًا استراتيجية نظرًا لطبيعتها التي لا غنى عنها في مجالات رئيسية مثل الفضاء وتطوير الطاقة، وغيرها. ومع ذلك، نظرًا لتكنولوجيا الإنتاج المعقدة ودورة البحث والتطوير الطويلة والاستثمارات الرأسمالية الضخمة، ظلت صناعة السبائك عالية الحرارة لفترة طويلة تحتكرها قلة من الشركات العالمية العملاقة، مما شكل نمطًا احتكاريًا واضحًا. لقد استفادت الدول المتقدمة، ممثلة في الولايات المتحدة، من ميزة كونها أول من تحرك في هذا المجال.وقد تم تأسيس شركات عملاقة في الصناعة مثل شركة برات آند ويتني (PCC)، وشركة كاربنتر، وشركة هاينز الدولية.لا تتقن هذه الشركات التقنيات الأساسية وبراءات الاختراع فحسب، بل تسيطر أيضًا بقوة على السوق العالمية من خلال التكامل الرأسي والتخطيط العالمي.
في المقابل، بدأت صناعة السبائك ذات درجات الحرارة العالية في الصين متأخرة ولكنها تطورت بسرعة. في السنوات الأخيرة،لقد قفزت الصين من "المتابعة" إلى "الجري جنباً إلى جنب" في مجال السبائك عالية الحرارة، بل وأصبحت "رائدة" في بعض المجالات.
في الوقت الحاضر، تشمل المؤسسات المحلية العاملة في مجال البحث والتطوير وتحضير السبائك عالية الحرارة معاهد بحثية علمية مثل المعهد العام لأبحاث الحديد والصلب، ومعهد بكين للمواد الجوية، ومعهد أبحاث المعادن، والأكاديمية الصينية للعلوم، وجامعة العلوم والتكنولوجيا في بكين، بالإضافة إلى مؤسسات عالية الجودة مثل معهد الصين لأبحاث الحديد والصلب، وشركة ويسترن سوبركوندوتينج، وجامعة AVIC شنغهاي، وشركة تونان المحدودة. ومن خلال سنوات من التراكم التكنولوجي والابتكار، حققت هذه الوحدات طفرة نوعية من "العدم" إلى "التميز"، ووصلت إلى مستويات متقدمة دولية في بعض المجالات.
ومع ذلك، فإن تحسين أداء السبائك ذات درجات الحرارة العالية يمثل مشكلة معقدة متعددة الأهداف، والتي تتطلب إيجاد أفضل توازن بين مؤشرات متعددة مثل القوة في درجات الحرارة العالية، والمرونة في درجة حرارة الغرفة، ومقاومة الأكسدة. في السنوات الأخيرة، أدى إدخال تقنية الذكاء الاصطناعي إلى تحقيق اختراقات ثورية في تصميم السبائك عالية الحرارة. مع التكامل المستمر بين الذكاء الاصطناعي للعلوم ومجال علوم المواد، بدأ الباحثون المحليون في التركيز على الاختراقات الجديدة في تكنولوجيا الذكاء الاصطناعي في مجال السبائك عالية الحرارة، وحققوا العديد من التقدم في الماضي 2024.
على سبيل المثال، اقترح فريق سو يانجينغ في جامعة العلوم والتكنولوجيا في بكين إطار عمل متعدد الأهداف للتحسين (MOO) يجمع بين التعلم الآلي والبحث الجيني وتحليل المجموعات وردود الفعل التجريبية.تُستخدم لتصميم سبائك عالية الإنتروبيا مقاومة للحرارة (RHEAs) ذات قوة مثالية في درجات الحرارة العالية ومرونة في درجة حرارة الغرفة.قام الفريق بتصنيع 24 RHEAs وتأكد تجريبياً من أن سبيكة ZrNbMoHfTa أظهرت أداءً ممتازًا في درجات الحرارة العالية.
قبل ذلك، ركز فريق البحث التابع لجامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين ومعهد أبحاث المعادن التابع للأكاديمية الصينية للعلوم على تصميم السبائك عالية الحرارة للتصنيع الإضافي، باستخدام تكنولوجيا التعلم الآلي.تم حل المشكلة الرئيسية المتمثلة في "موازنة حساسية الشقوق والأداء في درجات الحرارة العالية".تتناول الدراسة بالتفصيل الأساليب الأساسية لتصميم السبائك عالية الحرارة بمساعدة التعلم الآلي، بما في ذلك جمع البيانات والمعالجة المسبقة، وبناء النماذج والتدريب، والتنبؤ بأداء السبائك. ومن خلال التعلم الآلي، تمكن فريق البحث من فحص تركيبات السبائك عالية الحرارة المناسبة للتصنيع الإضافي بسرعة، مما أدى إلى تقصير دورة البحث والتطوير بشكل كبير.
وقد نُشرت النتائج ذات الصلة في مجلة "Smart Security" تحت عنوان "تصميم السبائك الفائقة القائمة على النيكل للتصنيع الإضافي استنادًا إلى التعلم الآلي: حالة البحث والاتجاهات المستقبلية".
رابط الورقة:
10.12407/j.issn.2097-2075.2024.02.096
على الرغم من أن الصين حققت تقدما ملحوظا في مجال السبائك عالية الحرارة، إلا أنه لا تزال هناك فجوة معينة مقارنة بالعمالقة الدوليين. على سبيل المثال، لا تزال هناك حاجة إلى تحسين استقرار وتناسق المنتجات الراقية بشكل أكبر. وعلاوة على ذلك، فإن السلسلة الصناعية للسبائك ذات درجات الحرارة العالية لم تحقق بعد السيطرة المستقلة الكاملة، ولا تزال بعض المواد الخام والمعدات الرئيسية تعتمد على الواردات.
ومع ذلك، مع التطبيق الواسع النطاق للتقنيات الناشئة مثل الذكاء الاصطناعي والبيانات الضخمة، فإن صناعة السبائك عالية الحرارة في الصين تفتح آفاقاً جديدة للتطوير. ومن خلال تكنولوجيا الذكاء الاصطناعي، يستطيع الباحثون تصميم مواد جديدة وتحسين عمليات الإنتاج بكفاءة أكبر، وبالتالي تسريع الإنجازات التكنولوجية. وفي المستقبل، من المتوقع أن تحقق الصين قفزة من "العمل جنباً إلى جنب" إلى "الريادة" في مجال السبائك عالية الحرارة، وتساهم بشكل أكبر في "الحكمة الصينية" في التنمية الصناعية العالمية.
مراجع:
1.http://znaq.ijournals.cn/znaq/article/abstract/20240124001?st=article_issue
2.https://www.sohu.com/a/739946600_120113054
3.https://www.chyxx.com/industry/1194170.html
4.https://baijiahao.baidu.com/s?