燃氣輪機廣泛用于發(fā)電和飛機推進。根據(jù)熱力學(xué)定律，發(fā)動機的溫度越高，效率越高。由于這些規(guī)律，人們對提高渦輪機的運行溫度產(chǎn)生了濃厚的興趣。

德克薩斯A&M大學(xué)材料科學(xué)與工程系的一組研究人員與艾姆斯國家實驗室的研究人員合作，開發(fā)了一種人工智能框架，能夠預(yù)測可承受極高溫度、氧化環(huán)境的高熵合金(HEA).這種方法可以通過減少所需的實驗分析次數(shù)來顯著減少尋找合金的時間和成本。

這項研究最近發(fā)表在MaterialHorizo??ns上。

在長時間的高溫條件下，渦輪葉片會因熔化或氧化而導(dǎo)致災(zāi)難性故障。不幸的是，目前的渦輪葉片材料已經(jīng)達到了它們的運行極限。

涂層和冷卻通道等工程技術(shù)的進步推遲了改變渦輪機材料的需求。然而，預(yù)計未來十年航空旅行的數(shù)量將翻一番，而燃氣輪機正在成為一種日益占主導(dǎo)地位的發(fā)電技術(shù)。因此，渦輪機需要更高的效率來減少燃料使用和限制二氧化碳排放。

“燃氣輪機通過將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械運動來發(fā)揮作用，但受到溫度閾值的限制，”材料科學(xué)與工程系教授RaymundoArroyave博士說。“徹底改變渦輪技術(shù)的下一步是改變用于制造葉片等部件的材料，以便它們可以在更高的溫度下運行而不會發(fā)生災(zāi)難性的氧化。”

在研究用于渦輪機的不同類型合金時，HEA受到了極大的關(guān)注。HEA是沒有明顯多數(shù)元素的濃縮合金。HEA的一個獨特特性是這些合金在更高的溫度下變得更加穩(wěn)定，提供了在極端環(huán)境中使用的潛力。

盡管它們能夠承受高溫，但HEA很容易生銹(氧化)。HEA可以有多種成分，以指數(shù)方式擴展可以形成的氧化物類型。找到一種可以抗氧化的組合物需要以非常高的成本進行大量實驗。

為了規(guī)避HEA發(fā)現(xiàn)的缺點和成本，研究人員開發(fā)了一種能夠預(yù)測HEA氧化行為的人工智能框架。該框架結(jié)合了計算熱力學(xué)、機器學(xué)習(xí)和量子力學(xué)，可以定量預(yù)測任意化學(xué)成分的HEA的氧化。計算篩選合金所需的時間大大減少，從幾年縮短到幾分鐘。反過來，非常快速和有效的篩選可以減少對資源密集型實驗試驗的需求。

“在搜索一個大的組成空間時，實驗者必須對一種非常復(fù)雜的材料進行數(shù)百種變體，將它們氧化，然后表征它們的性能，這可能需要數(shù)周、數(shù)月甚至數(shù)年，”該大學(xué)的研究生丹尼爾·索達(DanielSauceda)說。材料科學(xué)與工程系。“我們的研究通過創(chuàng)建HEA氧化路線圖顯著縮短了這一過程，向研究人員展示了您可以從不同的成分中獲得什么。”

使用該框架，研究人員預(yù)測了多種合金成分的氧化行為。然后，他們將預(yù)測發(fā)送給艾姆斯國家實驗室的科學(xué)家歐陽高遠和他的團隊，以測試他們的發(fā)現(xiàn)并驗證該框架是否準(zhǔn)確地證明了合金是否會抗氧化。

“框架準(zhǔn)確定位有害相的能力將有助于設(shè)計改進的抗氧化材料，”共同領(lǐng)導(dǎo)框架開發(fā)的艾姆斯國家實驗室科學(xué)家PrashantSingh說。“本研究中提出的方法是通用的，適用于了解HEA的氧化行為，并為其他應(yīng)用提供對氧化和耐腐蝕材料的見解。”

這項研究中開發(fā)的工具可能會改變科學(xué)家通過使用人工智能工具在很短的時間內(nèi)快速吸走天文數(shù)字的合金來發(fā)現(xiàn)極端環(huán)境材料的過程。

“該工具將幫助篩選出不適合我們應(yīng)用需求的合金，同時讓我們能夠花費更多時間，對值得研究的合金進行更詳細的分析，”Arroyave說。“雖然我們的預(yù)測不是100%準(zhǔn)確，但它們?nèi)匀惶峁┝俗銐虻男畔?，以便以在開發(fā)此框架之前無法想象的速度就哪些材料值得研究做出明智的決定。”

通過該框架發(fā)現(xiàn)的HEA具有潛在的應(yīng)用，例如用于推進和發(fā)電的燃氣輪機、熱交換器以及許多其他需要材料來承受極端操作條件的材料。

“通過發(fā)現(xiàn)能夠承受極端環(huán)境的材料，這項工作直接有助于能源部到2050年實現(xiàn)凈零碳排放的目標(biāo)，”辛格說。

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