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npj Comput. Mater.: 自動DFT+機器學習模擬Ni3Al基合金的反相疇界能

npj Comput. Mater.: 自動DFT+機器學習模擬Ni3Al基合金的反相疇界能
反相疇界(APB)是平面缺陷,在強化鎳基高溫合金中起著關鍵作用,它們對合金成分的敏感性為合金設計提供了靈活的調整參數。
npj Comput. Mater.: 自動DFT+機器學習模擬Ni3Al基合金的反相疇界能
在此,美國加州大學伯克利分校Mark Asta、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室Timofey Frolov等人報道了一個計算工作流程以提供足夠的數據來訓練機器學習(ML)模型,從而自動研究成分對Ni3Al基合金中(111)APB能(記為γ111)的影響。作者通過創建一個計算工作流程來自動化DFT計算,最終生成了豐富的數據(包括溶質位點偏好、γ111及物理上有意義的特征),從而實現對APB能的化學貢獻的數據驅動評估。
具體而言,對于每個三元物種,作者首先使用PyDII計算其亞晶格偏好,然后使用該預測來使用ATAT構建模型超晶胞。接下來,基于VASP進行DFT計算以獲得γ111。最后,使用在scikit-learn中實現的ML技術來分析數據中的相關性并為γ111構建預測性ML模型。
npj Comput. Mater.: 自動DFT+機器學習模擬Ni3Al基合金的反相疇界能
圖1. γ111成分依賴性的代表性曲線
研究表明,PyDII預測Co和Cr是位置偏好變化最大的兩個物種。對于Co,可將其行為歸類為更偏好Ni亞晶格;對于Cr,PyDII預測對Al亞晶格的偏好非常強烈。DFT結果還表明,幾種元素表現出對γ111的非單調濃度依賴性,這可能對合金設計產生重要影響。在d區元素中,Ta可能是在高濃度下使γ111最大化的元素。
此外,用于分析γ111成分依賴性的隨機森林(RF)模型實現了0.033 J m-2的五倍交叉驗證誤差,R2?為 0.753。進一步,作者通過預測商業高溫合金中的APB能證明了RF模型的可轉移性與普適性。總之,這項研究表明高通量計算和ML之間的協同作用為探索廣闊的合金成分空間提供了機會,并加快了合金應用的發展進程。
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圖2. RF模型結果
Modeling antiphase boundary energies of Ni3Al-based alloys using automated density functional theory and machine learning, npj Computational Materials 2022. DOI: 10.1038/s41524-022-00755-1

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