【引言】
硬質(zhì)涂層可增強(qiáng)金屬材料的基于機(jī)器服役性能和壽命，在先進(jìn)制造、算和航空航天和汽車部件等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。學(xué)習(xí)性性然而，預(yù)測硬質(zhì)早期用實驗方法對硬質(zhì)涂層材料的涂層研發(fā)已不能滿足高效、系統(tǒng)設(shè)計新型復(fù)雜的合金多組元涂層材料。機(jī)器學(xué)習(xí)是料牛被公認(rèn)為的一種減少實驗和計算量，加速涂層材料設(shè)計的基于機(jī)器切實可行的方法。
然而，算和訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)模型需要大量的學(xué)習(xí)性性實驗和計算，目前缺乏完整的預(yù)測硬質(zhì)數(shù)據(jù)庫，這是涂層發(fā)展高效篩選硬質(zhì)涂層材料機(jī)器學(xué)習(xí)模型的主要障礙。數(shù)據(jù)缺失主要體現(xiàn)在兩點(diǎn)，合金一方面是料牛彈性常數(shù)，它是基于機(jī)器影響材料硬度的重要因素。但彈常需要大量計算資源，目前數(shù)據(jù)庫中僅有部分材料有彈常信息。另一方面，大多工業(yè)中實際應(yīng)用的硬質(zhì)涂層材料都是無序結(jié)構(gòu)，而現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫關(guān)注于有序結(jié)構(gòu)，因而，建立無序結(jié)構(gòu)涂層材料數(shù)據(jù)庫具有重要意義。
【成果簡介】
近日，瑞典林雪平大學(xué)和俄羅斯國立科技大學(xué)在npj Comput. Mater.上發(fā)表文章，題為“Predicting elastic properties of hard-coating alloys using ab-initio and machine learning methods”。該工作利用密度泛函理論和機(jī)器學(xué)習(xí)，建立了硬質(zhì)涂層材料數(shù)據(jù)庫，開發(fā)了自動化高通量工作流，獲得決定硬質(zhì)涂層性質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù)，并發(fā)展理論預(yù)測模型。主要工作如下：
基于The High-Throughput Toolkit (httk)平臺，開發(fā)高度自動化第一性原理高通量計算工作流，實現(xiàn)自動創(chuàng)建計算任務(wù)、管理計算作業(yè)、修復(fù)計算故障的功能，獲得X1-XYXN（X，Y∈{ Al，Ti，Zr，Hf}）二元和三元氮化物的彈性常數(shù)、體積模量等影響涂層力學(xué)性能的微觀物性參數(shù)。
利用Materials Project數(shù)據(jù)庫中有序結(jié)構(gòu)涂層材料數(shù)據(jù)訓(xùn)練晶像卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（CGCNN）。根據(jù)此模型可以較好地預(yù)測材料的體積模量和剪切模量。由于CGCNN模型可以讀取數(shù)據(jù)庫中基本單元而對有序度沒有要求。這表明，模型可以推廣到無序結(jié)構(gòu)涂層材料。transfer training（TL）的基本思想是基于部分可利用數(shù)據(jù)訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)模型并在更小的數(shù)據(jù)庫中合理修正調(diào)整模型。由于無序結(jié)構(gòu)材料數(shù)據(jù)信息極少，本文采用TL方法以有序結(jié)構(gòu)作為訓(xùn)練起始點(diǎn)，繼續(xù)訓(xùn)練CGCNN模型，提高預(yù)測無序結(jié)構(gòu)材料的精度。
【圖文導(dǎo)讀】
圖 1?文章出處
圖 2?B1，B3，B4和Bk有序氮化物結(jié)構(gòu)球棍模型。紅色代表金屬原子，灰色代表氮原子。
圖 3?CGCNN模型框架。輸入一個確定的晶體結(jié)構(gòu)，高度提取結(jié)構(gòu)信息，將3D結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)為2D圖像，作為CGCNN模型訓(xùn)練的初始信息，進(jìn)行一系列特定函數(shù)和判據(jù)的迭代篩選
圖 4?比較DFT計算結(jié)果和機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測結(jié)果。(a) 基于Materials Project 數(shù)據(jù)庫，獲得訓(xùn)練、驗證和測試集，分別由藍(lán)十字、紅方塊和綠圓表示。(b) 無序氮化物測試集，其中DFT和機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測的最大和最小值對應(yīng)的化學(xué)式標(biāo)注圖中
【總結(jié)】
文章以無序氮化物硬質(zhì)涂層為例，結(jié)合第一性原理計算和機(jī)器學(xué)習(xí)提出了一種獲得無序結(jié)構(gòu)涂層材料彈性性能的新理論模型。為預(yù)測材料的彈性性能和建立無序結(jié)構(gòu)涂層數(shù)據(jù)庫提供數(shù)據(jù)支撐，為高效設(shè)計篩選新型涂層材料奠定基礎(chǔ)。
本文由花果山的小猴子供稿。
