结构材料的多尺度链条式集成设计方法及数据库系统

1.本发明涉及结构材料技术和计算机技术领域，具体而言，涉及一种结构材料的多尺度链条式集成设计方法及数据库系统。


背景技术：

2.结构材料在航空发动机制造、燃气轮机制造、石油石化、汽车、冶金、玻璃制造、原子能等多个领域中都有着较为广泛的应用，针对上述应用场景中结构材料苛刻的服役环境，开发具有更高承温能力和高强耐蚀的新一代结构材料已成为发展先进动力装置的迫切需求。
3.在目前材料计算设计研究方面，主要是单一尺度的计算和模拟，微观、介观和宏观尺度下材料计算模型及数据不能有效互相兼容，导致计算方法没有集成应用，无法满足从原子到宏观层次的新型结构材料的全链条设计和研发需求。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种结构材料的多尺度链条式集成设计方法及数据库系统，以便提供结构材料的微观原子尺度、介观物相尺度及宏观工艺尺度的多尺度信息链条。
5.为实现上述目的，本技术实施例采用的技术方案如下：
6.第一方面，本技术实施例提供了一种结构材料的多尺度链条式集成设计方法，包括：
7.根据预设结构材料的基元素的属性，采用第一性原理方法，从多种过渡元素中筛选出制造所述预设结构材料所需的多种目标过渡元素；
8.对所述多种目标过渡元素进行相图计算得到数字化相图；
9.根据预设机器学习算法从所述相图中筛选出满足第一预设条件的多组目标成分点；
10.对每组所述目标成分点进行相场计算，得到制造所述预设结构材料所需的工艺参数，所述工艺参数用于指示：每组目标成分点对应的热处理工艺。
11.可选的，所述根据预设机器学习算法从所述相图中筛选出满足第一预设条件的多组目标成分点之后，所述方法还包括：
12.根据所述目标成分点，确定每种目标过渡元素的成分范围；
13.从所述成分范围中确定预设数目组目标过渡元素候选成分；
14.所述对每组所述目标成分点进行相场计算，得到制造所述预设结构材料所需的工艺参数，包括：
15.对所述预设数目组目标过渡元素候选成分进行相场计算，得到所述工艺参数。
16.可选的，所述对所述多种目标过渡元素的成分点进行相图计算得到相图，包括：
17.对所述多种目标过渡元素进行相图计算，得到数字化相图。
18.可选的，所述根据预设结构材料的基元素的属性，采用第一性原理方法，从多种过渡元素中筛选出制造所述预设结构材料所需的多种目标过渡元素，包括：
19.根据预设结构材料的基元素的属性，采用所述第一性原理方法，从所述基元素对应的所述多种过渡元素中筛选出制造所述预设结构材料所需的多种目标过渡元素。
20.可选的，所述根据预设结构材料的基元素的属性，采用第一性原理方法，从多种过渡元素中筛选出制造所述预设结构材料所需的多种目标过渡元素，包括：
21.根据及第一性原理方法，从多种过渡元素中筛选出制造所述预设结构材料所需的多种目标过渡元素；所述参量数据库包括以下至少一种参量：驰豫结构、能量、弹性常数、差分电荷密度。
22.可选的，所述对所述多种目标过渡元素进行相图计算得到相图，包括：
23.根据热力学数据库，对所述多种目标过渡元素进行相图计算得到相图。
24.可选的，所述对每组目标成分点进行相场计算，包括：
25.根据动力学数据库，对每组所述目标成分点进行相场计算。
26.可选的，所述从所述成分范围中确定预设数目组目标过渡元素候选成分，包括：
27.根据机器学习算法，从所述成分范围中筛选出预设数目组目标过渡元素候选成分。
28.第二方面，本技术实施例还提供了一种数据库系统，包括：
29.第一性原理计算模块、相图计算模块、机器学习模块和相场计算模块；所述第一性原理计算模块与所述相图计算模块之间通过输入输出接口通信连接；所述相图计算模块与所述机器学习模块之间通过输入输出接口通信连接；所述机器学习模块与所述相场计算模块之间通过输入输出接口通信连接；
30.所述第一性原理计算模块，用于根据预设结构材料的基元素的属性，采用第一性原理方法，从多种过渡元素中筛选出制造所述预设结构材料所需的多种目标过渡元素；
31.所述相图计算模块，用于对所述多种目标过渡元素进行相图计算得到相图；
32.所述机器学习模块，用于根据预设机器学习算法从所述相图中筛选出满足第一预设条件的多组目标成分点；
33.所述相场计算模块，用于对每组目标成分点进行相场计算，得到制造所述预设结构材料所需的工艺参数，所述工艺参数用于指示：每组目标成分点对应的热处理工艺。
34.可选的，所述计算方法用于根据所述目标成分点，确定每种目标过渡元素的成分范围；从所述成分范围中确定预设数目组目标过渡元素候选成分；
35.所述相场计算模块，用于对所述预设数目组目标过渡元素候选成分进行相场计算，得到所述工艺参数。
36.本技术的有益效果是：本技术实施例提供一种结构材料的多尺度链条式集成设计方法，根据预设结构材料的基元素的属性，采用第一性原理方法，从微观层面上实现了从多种过渡元素中筛选出制造预设结构材料所需的多种目标过渡元素，从而确定预设结构材料掺杂合金化元素种类，接着对多种目标过渡元素进行相图计算得到相图，并从相图中筛选出满足第一预设条件的多组目标成分点，从介观层面确定结构材料中每种目标过渡元素掺杂的成分点/成分范围。接下来利用机器学习筛选出合金的目标候选成分。最后对每组目标成分点进行相场计算，实现了宏观层面的制造预设结构材料所需的工艺参数的确定。总的
来说，本技术的结构材料的多尺度链条式集成设计方法搭建了元素-成分-工艺的渐进式筛选构架，实现了结构材料的快速优化设计。此外，本技术在实现对目标过渡元素的筛选、对目标成分点的筛选中，可以根据实际需要灵活进行筛选判据设定，使得方法的实用性更强。
附图说明
37.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
38.图1为本技术一实施例提供的一种结构材料的多尺度链条式集成设计方法的流程图；
39.图2为本技术一实施例提供的一种新型co基高温合金的第一性原理计算模块进行过渡元素种类筛选的筛选结果；
40.图3为本技术一实施例提供的一种nb-si基高温合金的第一性原理计算模块进行过渡元素种类筛选的筛选结果；
41.图4为本技术一实施例提供的co基高温合金热处理后强化相的微观组织示意图；
42.图5为本技术一实施例提供的nb-si基高温合金热处理后强化相的微观组织示意图；
43.图6为本技术又一实施例提供的一种结构材料的多尺度链条式集成设计方法的流程图；
44.图7为本技术一实施例提供的一种数据库系统的示意图。
具体实施方式
45.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
46.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，在本发明中的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个，除非另有明确具体的限定。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
47.结构材料是以力学性能为基础，制造受力构件所使用的材料。在工业4.0背景下，结构材料的开发正在朝着高抗拉强度、良好的塑性、韧性和长疲劳寿命的方向发展。结构材料的综合性能与其化学成分、组织结构及其制备工艺是息息相关的。结构材料被广泛应用于工生产业、制造、生物医学等领域。根据“中国制造2025”，针对上述应用场景中结构材料苛刻的服役环境，开发具有更好综合性能的新一代结构材料已成为我国的迫切需求。
48.结构材料是一种由多种材料组成的合金，由于多做交互作用对结构材料组织与性能的影响机理非常复杂。由于基础数据严重匮乏、对合金化原理认识不足且合金设计准则
尚未建立，亟需通过成分优化和制备工艺集成优化结构材料的综合性能。通过传统的实验方法很难对结构材料的各种性质进行测量和表征，且缺乏系统性的元素-结构-成分-温度-时间和性能之间的理论研究，因此，采用计算方法研究结构材料的性质具有重要意义。
49.在目前材料计算设计研究方面，主要是单一尺度的计算和模拟，微观、介观和宏观尺度下材料计算模型及数据不能有效互相兼容，导致计算方法没有集成应用，无法满足从原子到宏观层次的新型结构材料的全链条设计和研发需求。
50.针对上述当前存在的问题，本技术实施例提供了多种可能的实现方式，以实现基于微观-介观-宏观实现对结构材料的多尺度链条式集成设计。如下结合附图通过多个示例进行解释说明。图1为本技术一实施例提供的一种结构材料的多尺度链条式集成设计方法的流程图，该结构材料的多尺度链条式集成设计方法可由运行有上述方法的一台或多台电子设备实现，该电子设备例如可以为终端设备(计算机、超级计算机)，也可以为服务器等。如图1所示，该方法包括：
51.步骤101：根据预设结构材料的基元素的属性，采用第一性原理方法，从多种过渡元素中筛选出制造预设结构材料所需的多种目标过渡元素。
52.需要说明的是，第一性原理是根据原子核和电子相互作用的原理及其基本运动规律，运用量子力学原理，从具体要求出发，经过一些近似处理后直接求解薛定谔方程的算法。
53.大量实验研究报道发现通过添加第四、第五微量合金元素可以改善和提高结构材料强化相的固溶强度和高温性能从而改善其高温下力学性能无法保持和急剧下降的问题。传统实验很难描述强化相的各种性质，添加合金元素对多组元强化相稳定性理论研究尚不完善。因此，通过第一性原理计算方法研究多组元强化析出相的元素占位倾向、弹性、热力学性质等微观信息具有重要的意义。
54.由此，根据第一性原理方法以及预设结构材料的基元素的属性，可以从多种过渡元素中筛选出制造预设结构材料所需的多种目标过渡元素。需要说明的是，预设结构材料的基元素即为目标生成的结构材料的主要成分元素，例如目标合成的结构材料为新型co基高温合金，则这种结构材料中co为主要成分，则预设结构材料的基元素为co。
55.确定预设结构材料的基元素后，根据第一性原理计算多种过渡元素对预设结构材料的基元素的属性的影响，需要说明的是，过渡元素可能对预设结构材料的基元素的掺杂元素占位(即预设结构材料中过渡元素占位)、l12相晶胞稳定性、l12相力学性能、以及对该材料的基元素相关的理化性质等产生影响，通过对过渡元素的影响进行分析，结合结构材料的使用目的，即可从多种过渡元素中筛选出制造预设结构材料所需的多种目标过渡元素。
56.在上述可能产生影响的各项性质中，掺杂元素在晶胞中的占位计算是获得晶胞中原子准确排布的重要前提。可以通过结合能和掺杂形成能来判定掺杂元素的占位(the occupancy of alloying elements)。以含有三种基元素的结构材料体系为例，首先可以根据体系的名称对主元素进行编号。例如，co-al-w体系中，co为主元素1，al为主元素2，w为主元素3。可以通过需要计算tm(tm＝3d,4d,and 5d tm elements)明确合金元素占位的规则，如下方法定义元素在各体系晶胞中占1位、2位和3位的反应能
[0057][0058]
其中，表示未掺杂的co3(x,y)的静态能,代表tm掺杂的co3(x,y)的静态能；μi和μ
tm
是主元素和tm元素的化学势。掺杂原子将占据反应能最低的位置。
[0059]
基于上述分析，可以通过比较tm取代的l12结构和d0
19
结构的稳定形成能δhs判定掺杂微量元素后的l12相的热力学稳定性。
[0060][0061]
其中μj是每种元素的化学势。对于l12和d0
19
结构来说，稳定形成能较低的结构更稳定。也就是说，通过对掺杂元素占位分析可以进一步判断l12相晶胞稳定性。
[0062]
此外，l12相力学性能可以通过如下方式进行计算：
[0063]
力学性能例如b、g和e等参数可以通过弹性常数来计算，可以根据应力应变模型计算出来，可表示为如下形式:
[0064][0065]
其中，εi,c
ij
,和σi分别表示应变向量，弹性常数矩阵和应力矩阵。晶体结构受应变ε影响后，将产生一组应力张量σ＝(σ1,σ2,σ3,σ4,σ5,σ6)。σ
1-σ3应力分量代表正应力，σ
4-σ6应力分量代表剪切应力。相对而言，一组应变张量ε＝(ε1,ε2,ε3,ε4,ε5,ε6)被施加在超胞(supercell)上，并产生小变形。应力值定义为第一性原理计算的总能量对相应应变的一阶导数。由于晶体的对称性，不同晶体的独立弹性常数c的数量也不尽相同。在立方晶系中，只有三个独立的弹性常数和可由公式(1)-(3)计算得到。
[0066][0067][0068][0069]
其中,s
ij
是柔性常数矩阵，由弹性矩阵c
ij
求逆得到。
[0070]
因此，对于立方晶系，弹性矩阵可简化为：
[0071][0072]
l12相的力学性能包括体积模量(bulk modulus(b)),剪切模量(shear modulus(g))和杨氏模量(young's modulus(e))，它们可以通过voigt-reuss-hill(vrh)近似计算得到。计算方法如公式(5)-(10)所示。
[0073][0074][0075]ev
＝(9b
vgv
)/(3bv gv)er＝(9b
rgr
)/(3br gr),
ꢀꢀꢀ
(7)
[0076]
b＝(bv br)/2,
ꢀꢀꢀ
(8)
[0077]
g＝(gv gr)/2,
ꢀꢀꢀ
(9)
[0078]
e＝(ev er)/2,
ꢀꢀꢀ
(10)
[0079]
在一种具体的实现方式中，若预设结构材料的基元素为co元素，确定基元素后，根据已有的研究资料或者相关分析，从元素周期表的过渡元素中选择多种过渡元素用于进行后续筛选，例如，针对新型co基高温合金，将21种过渡元素(sc,ti,v,cr,mn,fe,ni,y,zr,nb,mo,tc,ru,rh,pd,hf,ta,re,os,ir和pt，如果过渡元素(即筛选出的掺杂元素)与晶胞中基元素相同，则去掉该过渡元素)掺杂进l12相晶胞的不同等效位中(例如在co-al-w体系中，有co1,co2,co3,
…
co6,al1,al2,w1,w2等效位)，通过计算生成能判断掺杂原子的占位。(需要说明，对生成能的计算可以基于上述计算公式通过手动或者计算机辅助的方式进行，也可以使用相关的生成能计算软件实现，本技术对此不作限定)。对占位判断完毕后，判定l12相的稳定性，也就是根据上述稳定性的计算方法判断l12相及其竞争相d0
19
相的生成焓大小，从而筛选出l12稳定的掺杂结构。
[0080]
计算完毕后，即可得到多种过渡元素对新型co基高温合金的l12相晶胞稳定性及力学性质的影响，图2为本技术一实施例提供的一种新型co基高温合金的第一性原理计算模块进行过渡元素种类筛选的筛选结果，如图2所示，可以发现ta、ti、ni、cr和w元素可以有效地改善新型co基高温合金的l12相的微观性质，此外cr元素对合金的氧化性十分重要，因此，确定目标过渡元素为：ta、ti、ni、w、cr、al。在后续方法中，需要对包括这几种过渡元素的co基高温合金进行优化。
[0081]
在另一种具体的实现方式中，若预设结构材料的基元素为nb-si两种元素，确定基元素后，根据已有的研究资料或者相关分析，从元素周期表的过渡元素中选择多种过渡元素用于进行后续筛选，例如，针对nb-si基高温合金，通过计算30种元素对铌硅基高温合金的nb5si3相晶胞的氧扩散系数的影响，图3为本技术一实施例提供的一种nb-si基高温合金的第一性原理计算模块进行过渡元素种类筛选的筛选结果，发现sc、ti、v、cr、mn、y、zr、nb、mo、tc、lu和hf元素可以有效地改善nb5si3相的微观性质，其中，ti、si、cr、v、hf和zr元素对减小氧扩散系数的贡献较大。因此，可以确定目标过渡元素为：si、cr、v、hf、zr。在后续方法
中，需要对包括这几种过渡元素的nb-si基高温合金进行优化。
[0082]
上述实现方式仅为示例说明，在实际实现中，还可以有其他基元素的结构材料的相关计算方式，本技术对基元素的具体种类等不做限定。
[0083]
通过以上两个具体实现方式可知，一方面，在确定预设结构材料的基元素后，根据结构材料用途等不同，在筛选目标过渡元素时使用的计算方式可以不同，例如在上述实施例中对新型co基高温合金使用多种过渡元素对新型co基高温合金的l12相晶胞稳定性及力学性质的影响进行筛选，而对nb-si基高温合金使用氧扩散系数进行筛选。另一方面，针对不同基元素的预设结构材料，最终确定的目标过渡元素的数量不同，一般地，为了满足目前计算设备的计算能力以及结构材料的加工工艺，通常将结构材料的元素数目限制在其中以内(包括基元素)。
[0084]
在一种可能的实现方式中，可以基于第一性原理计算软件(vienna ab-initio simulation package，vasp)执行第一性原理方法计算出生成能并根据相关判据判断过渡元素原子的占位、l12相晶胞的微观力学性能等。下面简单介绍运用这种软件时第一性原理的具体计算逻辑。vasp软件基于赝势平面波基组模型，通过gga、lda等交换关联泛函理论进行kohn-sham方程的自洽迭代计算求解。其具体计算流程为：首先，构造一个合理的初始电子密度分布，并以此求解出有效关联势veff、相互作用交换关联泛函exc和kohn-sham方程轨道φ；接着，基于这一电子轨道，vasp软件可以构造出一个新的电子密度分布，将新的电子密度代入方程后，vasp软件会判断是否满足自洽条件；如果满足自洽，则将计算体系总能，并当总能符合给定的收敛精度时，输出总能计算结果，如果未满足自洽，vasp软件将进行反复迭代计算直到新的电子密度符合自洽条件。
[0085]
步骤102：对多种目标过渡元素进行相图计算得到相图。
[0086]
在确定目标过渡元素后，可以利用相图计算实现对目标过渡元素掺杂成分点/成分范围的筛选。
[0087]
相图是研究材料成分、工艺、结构与性能之间关系的重要基础，描述了结构材料的介观信息。实验测定相图过程中需要耗费大量的人力与物力，在高温、高压、有腐蚀性气体参与反应的条件下，还将面临成分控制、容器选择和高温测量等方面的困难，而且实验测定总是有限的，片面的，无法对体系的相图和热力学性质作一个完整、全面的了解。为解决上述问题，可以使用calphad方法计算、外推相图，相图本质是根据目标体系中各相的晶体结构、磁性有序和化学有序转变等信息，建立起各相的热力学模型，并由这些模型构筑各相的吉布斯自由能表达式，最后通过平衡条件计算相图，建立成分-物相-性能之间的关联规律。
[0088]
在一种具体的实现方式中，针对上述实施例中提到的新型co基高温合金，确定ta、ti、ni、w、cr、a为目标过渡元素后，确定预设结构材料为co-ni-al-w-ti-ta-cr七元系合金。接着，通过对结构材料中的所有元素进行排列组合，例如co-ni-al-w-ti-ta-cr七元系合金共有20,250个成分点，确定预设结构材料可能的成分点后，进而得到相图。
[0089]
在另一种具体的实现方式中，针对上述实施例中提到的nb-si基高温合金，确定si、cr、v、hf、zr为目标过渡元素后，确定预设结构材料为nb
–
ti
–
si
–
cr
–
v-hf-zr七元系合金。通过对此七元系合金中的所有元素进行排列组合，得到此系合金的相图，此系合金共有11,664个成分点。
[0090]
步骤103：根据预设机器学习算法从相图中筛选出满足第一预设条件的多组目标
成分点。
[0091]
步骤104：对每组目标成分点进行相场计算，得到制造预设结构材料所需的工艺参数，工艺参数用于指示：每组目标成分点对应的热处理工艺。
[0092]
从相图中筛选出满足第一预设条件的多组目标成分点，对每组目标成分点进行相场计算，得到制造预设结构材料所需的工艺参数，工艺参数用于指示：每组目标成分点对应的热处理工艺。
[0093]
需要说明的时，在步骤102得到预设结构材料的基元素与目标过渡元素排列组合的成分点后，可以通过高通量热力学计算得到所有成分点的相组成信息和熔点，进而依据这些计算结果进行筛选，筛选出满足第一预设条件的多组目标成分点。需要说明的是，第一预设条件可以根据实际的结构材料使用或者设计需要进行设定，本技术对此不做限定。
[0094]
在一种具体的实现方式中，针对上述实施例中提到的co-ni-al-w-ti-ta-cr七元系合金。确定20,250个成分点后，通过高通量热力学计算得到所有成分点的相组成信息和熔点，进而可以通过设定第一预设条件为“熔点高于1150℃”且“无tcp相”筛选出目标成分点。
[0095]
在另一种具体的实现方式中，针对上述实施例中提到的nb
–
ti
–
si
–
cr
–
v-hf-zr七元系合金。确定11,664个成分点后，通过高通量热力学计算得到所有成分点的相组成信息和熔点，进而可以通过设定第一预设条件为“熔点高于1350℃”和“无nb3si相”筛选出目标成分点。
[0096]
需要说明的是，目标成分点可能为多种本技术对目标成分点的个数不做限定。
[0097]
得到目标成分点后，需要根据相场计算确定预设结构材料的工艺参数。
[0098]
相场计算，即相场模拟，是一种仅针对组织相变过程而来的一种模拟方法，通过结构材料的组织的生长情况来计算结构材料的工艺参数。在结构材料领域，主要是模拟目标相组织演化、不同合金成分梯度下的时效组织演化以及有害相的组织演变，提供了结构材料的宏观工艺信息。
[0099]
在一种具体的实现方式中，针对上述实施例中提到的co-ni-al-w-ti-ta-cr七元系合金的筛选出目标成分点进行相场计算，利用判据“无杂相”和“合适的γ'相形貌”确定了每个目标成分点所对应的合适的热处理工艺。如图4所示，图4为本技术一实施例提供的新型co基高温合金热处理后强化相的微观组织示意图。通过确定的元素、成分、工艺参数，成功设计出了成分为co-30ni-11al-4w-4ti-1ta-5cr的新型co基高温合金。
[0100]
在另一种具体的实现方式中，针对上述实施例中提到的nb
–
ti
–
si
–
cr
–
v-hf-zr七元系合金的目标成分点进行相场计算，利用判据“无杂相”和“合适的nb
ss
nb5si3共晶相形貌”确定了每个目标成分点所对应的合适的热处理工艺。如图5所示，图5为本技术一实施例提供的nb-si基高温合金热处理后强化相的微观组织示意图，其中左图为nb-si基高温合金热处理后强化相的微观组织，右图为nb-si基高温合金热处理后si元素强化相的微观组织。通过确定目标过渡元素、目标成分点、工艺参数，成功设计出了成分为nb
–
22ti
–
15si
–
5cr
–
3v-2hf-2zr的nb-si基高温合金。
[0101]
综上，本技术实施例提供一种结构材料的多尺度链条式集成设计方法，根据预设结构材料的基元素的属性，采用第一性原理方法，从微观层面上实现了从多种过渡元素中筛选出制造预设结构材料所需的多种目标过渡元素，从而确定预设结构材料掺杂合金化元
素种类，接着对多种目标过渡元素进行相图计算得到相图，并从相图中筛选出满足第一预设条件的多组目标成分点，从介观层面确定结构材料中每种目标过渡元素掺杂的成分点/成分范围。接下来利用机器学习筛选出合金的目标候选成分。最后对每组目标成分点进行相场计算，实现了宏观层面的制造预设结构材料所需的工艺参数的确定。总的来说，本技术的结构材料的多尺度链条式集成设计方法搭建了元素-成分-工艺的渐进式筛选构架，实现了结构材料的快速优化设计。此外，本技术在实现对目标过渡元素的筛选、对目标成分点的筛选中，可以根据实际需要灵活进行筛选判据设定，使得方法的实用性更强。
[0102]
可选的，在上述图1的基础上，本技术还提供一种结构材料的多尺度链条式集成设计方法的可能实现方式，图6为本技术又一实施例提供的一种结构材料的多尺度链条式集成设计方法的流程图；如图6所示，根据预设机器学习算法从相图中筛选出满足第一预设条件的多组目标成分点之后，该方法还包括：
[0103]
步骤601：根据目标成分点，确定每种目标过渡元素的成分范围。
[0104]
在结构材料的参数确定过程中，元素种类、温度、成分范围与工艺参数的组合空间十分庞大(例如在上述实施例中，组合的成分点均有上万种)，使用遍历方法或者效率低下的“试错法”等方法进行实验与计算，会造成大量人力物力和时间的浪费。因此可以对目标成分点进行进一步筛选。
[0105]
首先从相图中筛选出满足第一预设条件的多组目标成分点，根据目标成分点，通过确定每种目标过渡元素的成分范围。
[0106]
在一种具体的实现方式中，针对上述实施例中提到的co-ni-al-w-ti-ta-cr七元系合金。从20,250个成分点中通过设定第一预设条件筛选出目标成分点，进而确定在这种合金中，ni的成分范围是20-40at.％，cr的成分范围是4-12at.％，w的成分范围是0-5at.％，ta和ti的成分范围均为0-4at.％。
[0107]
在另一种具体的实现方式中，针对上述实施例中提到的nb
–
ti
–
si
–
cr
–
v-hf-zr七元系合金。从11,664个成分点中通过设定第一预设条件筛选出目标成分点，进而确定在这种合金中，ti的成分范围是20-25at.％，si的成分范围是15-25at.％，cr的成分范围是0-10at.％，v、hf和zr的成分范围均为0-5at.％。
[0108]
步骤602：从成分范围中确定预设数目组目标过渡元素候选成分。
[0109]
在一种可能的实现方式中，根据第二预设条件从成分范围中确定目标过渡元素候选成分。例如针对上述实施例中提到的nb
–
ti
–
si
–
cr
–
v-hf-zr七元系合金，获取成分范围后，将“nb5si3相体积分数高于25％”和“nb5si3相溶解温度高于1200℃”作为筛选判据，即第二预设条件进行筛选，进而确定目标过渡元素候选成分，根据筛选结果，确定了七种目标过渡元素候选成分。在这种情况下，若第二预设条件能够实现筛选目的，可以不设置预设数目，直接使用筛选后的结果进行后续相场计算。
[0110]
在另一种可能的实现方式中，若第二预设条件筛选后的结果仍然超出算力或者预期数量，则可以对筛选后的结果进行进一步的数量限定，从而确定预设数目组目标过渡元素候选成分。例如针对上述实施例中提到的co-ni-al-w-ti-ta-cr七元系合金，获取成分范围后，将“γ'溶解温度高于1150℃”和“γ'相体积分数高于50％”作为筛选判据，即第二预设条件进行筛选，并从筛选结果中确定五种目标过渡元素候选成分。
[0111]
需要说明的是，上述从成分范围中确定预设数目组目标过渡元素候选成分可以通
过计算实现，为了进一步加快计算速度，可以采用机器学习等方法，本技术对此不做限定。
[0112]
对每组目标成分点进行相场计算，得到制造预设结构材料所需的工艺参数，包括：
[0113]
步骤603：对预设数目组目标过渡元素候选成分进行相场计算，得到工艺参数。
[0114]
在对目标过渡元素候选成分进行进一步筛选后，对目标过渡元素候选成分进行相场计算，得到每组目标过渡元素候选成分对应的工艺参数，从而简化运算，节约开支与时间。
[0115]
通过上述方法，提供一系列结构材料元素种类、成分范围与工艺参数的筛选判据，可以从数量巨大的成分空间中筛选出合金的候选成分与工艺参数，为结构材料的设计提供方案。此外，通过从成分范围中确定预设数目组目标过渡元素候选成分，减少运算量与运算成本。
[0116]
可选的，在上述图1的基础上，本技术还提供一种结构材料的多尺度链条式集成设计方法的可能实现方式，对多种目标过渡元素的成分点进行相图计算得到相图，包括：
[0117]
对多种目标过渡元素的成分点进行相图计算得到相图，得到数字化相图。
[0118]
需要说明的是，一方面，数字化相图可以将数据存储在表格里，不受组元数量的限制，能够方便灵活地应用于构建材料数据库以及训练机器学习模型中。另一方面，由于三元系以上的相图(例如在上述实施例中的co-ni-al-w-ti-ta-cr为七元系合金，其相图为七元系)无法用图形直接表示，因此，需要对相图进行数字化处理，进而得到数字化相图。
[0119]
在一种可能的实现方式中，步骤102对多种目标过渡元素进行相图计算，可以根据计算得到的相关信息(例如成分点、温度信息、生成相信息等)生成数字化相图。
[0120]
可选的，在上述图1的基础上，本技术还提供一种结构材料的多尺度链条式集成设计方法的可能实现方式，根据预设结构材料的基元素的属性，采用第一性原理方法，从多种过渡元素中筛选出制造预设结构材料所需的多种目标过渡元素，包括：
[0121]
根据预设结构材料的基元素的属性，采用第一性原理方法，从基元素对应的多种过渡元素中筛选出制造预设结构材料所需的多种目标过渡元素。
[0122]
针对不同基元素的预设结构材料，作为筛选备选的多种过渡元素的数量不同，例如在上述实施例中对新型co基高温合金，作为筛选备选的多种过渡元素的数量为21种；而对nb-si基高温合金，作为筛选备选的多种过渡元素的数量为30种。这种区别是由于过渡元素的固有属性决定的，用户在确定基元素后，根据相关知识即可对过渡元素进行选择，确定筛选备选的多种过渡元素。上述仅为示例说明，在实际实现中，从所有过渡元素中选择基元素对应的多种过渡元素也可以有其他方式，本技术对此不做限定。
[0123]
可选的，在上述图1的基础上，本技术还提供一种结构材料的多尺度链条式集成设计方法的可能实现方式，根据预设结构材料的基元素的属性，采用第一性原理方法，从多种过渡元素中筛选出制造预设结构材料所需的多种目标过渡元素，包括：
[0124]
根据参量数据库及第一性原理方法，从多种过渡元素中筛选出制造预设结构材料所需的多种目标过渡元素；参量数据库包括以下至少一种参量：驰豫结构、能量、弹性常数、差分电荷密度。
[0125]
需要说明的是，参量数据库中包括对多种过渡元素的元素性质相关参量，通过参量数据库可以获得多种过渡元素的结构和能量等微观信息，为目标过渡元素的筛选提供理论基础。
[0126]
可选的，在上述图1的基础上，本技术还提供一种结构材料的多尺度链条式集成设计方法的可能实现方式，对多种目标过渡元素进行相图计算得到相图，包括：
[0127]
根据热力学数据库，对多种目标过渡元素进行相图计算得到相图。
[0128]
本技术参数确定的目标为结构材料，在通过相图计算筛选目标成分点时，可以根据热力学数据库计算成分点的相组成信息和熔点信息进行目标成分点筛选。
[0129]
上述仅为实例说明，在实际实现中，还可以根据其他数据库实现目标成分点筛选，本技术对此不做限定。
[0130]
可选的，在上述图1的基础上，本技术还提供一种结构材料的多尺度链条式集成设计方法的可能实现方式，对每组目标成分点进行相场计算，包括：
[0131]
根据动力学数据库，对每组目标成分点进行相场计算。
[0132]
通过动力学(例如微观组织演化数据库)，可以对每组目标成分点进行微观组织演化，进而确定每组目标成分点对应的工艺参数，指导热处理工艺。
[0133]
可选的，在上述图6的基础上，本技术还提供一种结构材料的多尺度链条式集成设计方法的可能实现方式，从成分范围中确定预设数目组目标过渡元素候选成分，包括：
[0134]
根据机器学习算法，从成分范围中筛选出预设数目组目标过渡元素候选成分。
[0135]
需要说明的是由于每种结构材料的成分点数量众多且情况复杂，若人工对成分点进行筛选，需要耗费大量时间，且无法保证筛选结果的准确性，因此可以使用机器学习算法，确定目标过渡元素候选成分。
[0136]
在一种具体的实现方式中，可以根据“no free lunch theory”算法，即一种算法(算法a)在特定数据集上的表现优于另一种算法(算法b)的同时，一定伴随着算法a在另外某一个特定的数据集上有着不如算法b的表现。例如可以采用分类模型建立目标过渡元素的占位模型和l12相稳定性模型，采用回归模型建立l12相微观力学性能预测模型。
[0137]
在采用分类模型建立目标过渡元素的占位模型和l12相稳定性模型时，可以采用如下分类模型：random forest classification(rfc),gradient boosting classification(gbc),adaboost classification(ada),support vector machine(svm),artificial neural network(ann),k-nearest neighbors classification(knnc),gaussian process classification(gpc)。
[0138]
在采用回归模型建立l12相微观力学性能预测模型时，可以采用如下回归模型：random forest regression(rfr),gradient boosting regression(gbr),adaboost regression(ada),support vector regression(svr),artificial neural network(ann),k-nearest neighbors regression(knnr),gaussian process regression(gpr)。
[0139]
由此，本技术的结构材料的多尺度链条式集成设计方法可以基于高通量多尺度计算的数据挖掘和机器学习方法，实现了对合金成分-组织-性能进行循环优化，为结构材料的制备提供了理论指导。
[0140]
下述对用以执行本技术所提供的结构材料的参数确定系统、结构材料等进行说明，其具体的实现过程参见上述，下述不再赘述。
[0141]
本技术实施例提供一种结构材料的参数确定系统的可能实现示例，能够执行上述实施例提供的结构材料的多尺度链条式集成设计方法。图7为本技术一实施例提供的一种数据库系统的示意图。如图7所示，上述数据库系统100，包括：第一性原理计算模块71、相图
计算模块73和相场计算模块75；其中，第一性原理计算模块71与相图计算模块73之间通过输入输出接口通信连接；相图计算模块73与机器学习模块77通过输入输出接口通信连接；机器学习模块77与相场计算模块75通过输入输出接口通信连接；
[0142]
第一性原理计算模块71，用于根据预设结构材料的基元素的属性，采用第一性原理方法，从多种过渡元素中筛选出制造预设结构材料所需的多种目标过渡元素；
[0143]
相图计算模块73，用于对多种目标过渡元素进行相图计算得到相图；
[0144]
机器学习模块，用于根据预设机器学习算法从相图中筛选出满足第一预设条件的多组目标成分点；
[0145]
相场计算模块75，用于对每组目标成分点进行相场计算，得到制造预设结构材料所需的工艺参数，工艺参数用于指示：每组目标成分点对应的热处理工艺。
[0146]
需要说明的是，上述第一性原理计算模块、相图计算模块、机器学习模块和相场计算模块可由运行有上述设备对应方法的电子设备实现，该电子设备例如可以为终端设备(例如计算机等)，也可以为服务器(例如超级计算机等)，本技术对此不做限定。一般地，由于第一性原理计算模块、相场计算模块在计算中对设备性能的要求较高，可以采用超级计算机进行计算。
[0147]
由此，第一性原理计算模块、相图计算模块、相场计算模块分别确定了结构材料的掺杂合金化元素种类(即目标过渡元素)、成分点(即目标成分点)、热处理工艺(工艺参数)。材料多尺度计算数据库系统搭建了第一性原理计算、相图计算和相场计算多尺度计算链条，相邻模块之间通过输入输出接口连接，实现了i/o式数据传递。
[0148]
在一种可能的实现方式中，第一性原理计算模块、相图计算模块和相场计算模块可以位于同一计算机设备中(例如计算机或者服务器等)进行计算。
[0149]
在另一种可能的实现方式中，在材料多尺度计算数据库系统中，建立好材料多尺度计算数据库后，所有的模块可以均为自动采集模块，对每个模块计算出的计算数据进行自动采集，进而得到完整的结构材料元素-成分-工艺的材料多尺度计算数据链条。
[0150]
可选的，在图7的基础上，本技术还提供一种结构材料的多尺度链条式集成设计方法的可能实现方式，机器学习模块77用于根据目标成分点，确定每种目标过渡元素的成分范围；从成分范围中确定预设数目组目标过渡元素候选成分。
[0151]
由此机器学习模块77通过输入输出接口获取相图计算模块73的每种目标过渡元素的成分范围，并在此基础上确定了目标过渡元素候选成分。
[0152]
可选的，相图计算模块73，用于对多种目标过渡元素进行相图计算，得到数字化的相图。
[0153]
可选的，第一性原理计算模块71，用于根据预设结构材料的基元素的属性，采用第一性原理方法，从基元素对应的多种过渡元素中筛选出制造预设结构材料所需的多种目标过渡元素。
[0154]
可选的，第一性原理计算模块71，用于根据参量数据库及第一性原理方法，从多种过渡元素中筛选出制造预设结构材料所需的多种目标过渡元素；参量数据库包括以下至少一种参量：驰豫结构、能量、弹性常数、差分电荷密度。
[0155]
可选的，相图计算模块73，用于根据热力学数据库，对多种目标过渡元素进行相图计算得到相图。
[0156]
可选的，相场计算模块75，用于根据动力学数据库，对每组目标成分点进行相场计算。
[0157]
综上，本技术提供结构材料的微观原子尺度、介观物相尺度及宏观工艺尺度的多尺度信息链条；并搭建了基于i/o式数据通信材料设计理念的元素-成分-工艺的渐进式筛选构架，实现了结构材料的快速优化设计，突破了微观、介观、宏观尺度下结构材料计算模型耦合问题，实现了不同模型之间的有效数据传递；巧妙地将第一性原理计算、相图计算、机器学习及相场计算进行高效集成，突破了不同尺度材料计算模型耦合问题，实现了不同模型之间的有效数据传递。
[0158]
在一种具体的实现方式中，首先通过第一性原理计算出结构材料的目标相的微观信息。然后利用数据接口将微观信息传递给相图计算软件，计算出目标合金所有可能成分点的相组成信息和熔点，并使用机器学习确定结构材料的候选成分。最后利用数据接口将候选成分传递给相场计算软件，确定结构材料合适的热处理工艺。
[0159]
可选的，本技术实施例提供一种结构材料的可能实现示例，该结构材料为采用上述结构材料的多尺度链条式集成设计方法，或者上述数据库系统进行参数确定，依据确定的工艺参数进行加工得到。
[0160]
在一种具体的实现方式中，通过结构材料的多尺度链条式集成设计方法，首先确定可以有效改善结构材料强化相的元素种类(目标过渡元素)；接下来筛选出熔点较高和强化相体积分数较大且无杂相的合金成分(目标成分点)；最后，筛选出合适的强化相形貌来确定合适的热处理工艺(工艺参数)。通过以上工艺参数，设计出满足服役需求的性能优异的结构材料，并可以根据工艺参数进行结构材料的生成。例如可以开发了一种应用在航空发动机和地面燃机叶片性能上具有优异性能的结构材料，实现了提升两类燃气轮机效率的目的。
[0161]
以上仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。