北京科技大学谢建新院士团队：合金设计新突破以丰富元素替代稀缺元素

2024-11-12 13:12:33 来源：中国材料研究学会

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简介：北京科技大学谢建新院士团队近期在合金设计领域取得了重要突破，他们提出了一种结合了物理化学因素筛选、SHAP(SHapley Additive exPlanations)解释方法和元素敏感性分析的新型策略。这一策略成功构建了合金成分与性能的“白盒”模型，为以丰富元素替代稀缺元素提供了科学依据，推动了金属材料的可持续和绿色发展。

北京科技大学谢建新院士团队近期在合金设计领域取得了重要突破，他们提出了一种结合了物理化学因素筛选、SHAP(SHapley Additive exPlanations)解释方法和元素敏感性分析的新型策略。这一策略成功构建了合金成分与性能的“白盒”模型，为以丰富元素替代稀缺元素提供了科学依据，推动了金属材料的可持续和绿色发展。

构建“白盒”模型

该策略的核心在于构建一个能够清晰揭示合金成分与性能关系的“白盒”模型。研究团队首先利用物理化学因素筛选方法，对合金元素进行了初步的分析和选择。随后，他们引入了SHAP解释方法，这是一种基于博弈论的可解释性工具，能够量化各个元素对合金性能的影响。通过SHAP分析，研究团队成功建立了与关键合金因素和性能相关的明确规律。

在建立了这些规律之后，研究团队进一步运用了运筹学的敏感性分析方法，从众多元素中筛选出最有利的替代元素，并优化了合金元素的含量。这一过程确保了替代元素在降低稀缺元素使用的同时，能够保持甚至提升合金的性能。

Cu合金中的Co替代

为了验证这一策略的有效性，研究团队选择了Cu-Ni-Co-Si系(C70350系)合金作为实验对象。他们通过添加微量Cr元素并优化Ni和Mg的含量，成功将Co的含量从1.4wt.%降低到0.5wt.%。实验结果显示，尽管Co含量大幅降低，但新合金的极限抗拉强度和电导率仍然与原始C70350合金相当，分别达到了850MPa和47.2%IACS。

推动金属材料绿色发展

这一研究成果不仅证明了新型合金设计策略的有效性，还为金属材料的可持续和绿色发展提供了新的思路。研究团队指出，这一策略可以广泛应用于各种金属合金中，通过替代稀缺、昂贵或有毒的元素，实现合金性能的优化和成本的降低。

此外，该策略还可以扩展到高端航空航天合金的迭代开发中。例如，通过优化铝合金中Cu的含量，可以降低合金的密度，同时保持或提升其机械性能，从而制造出更轻质的设备。这不仅有助于提升航空航天设备的性能，还可以降低能源消耗和环境污染。

综上所述，北京科技大学谢建新院士团队提出的新型合金设计策略为金属材料的可持续和绿色发展提供了有力的支持。未来，随着这一策略的深入研究和广泛应用，我们有理由相信，金属材料领域将迎来更加绿色、高效和可持续的发展。