Za projektem stoi zespół kierowany przez Yu Zou, który specjalizuje się w badaniach materiałów przeznaczonych do pracy w najbardziej wymagających warunkach. Jako że współczesny przemysł potrzebuje materiałów zdolnych do wytrzymywania ogromnych zmian temperatury i ciśnienia, takich jak te występujące we wnętrzu silników odrzutowych czy generatorów pary w elektrowniach jądrowych, to odkrycie okazuje się tym cenniejsze. Tym bardziej, że w takich zastosowaniach tradycyjne stale często okazują się niewystarczające.
Równocześnie coraz większego znaczenia nabiera produkcja addytywna, czyli druk 3D z metalu. Technologia ta pozwala tworzyć elementy o skomplikowanych kształtach, których wykonanie klasycznymi metodami byłoby bardzo trudne lub wręcz niemożliwe. Dodatkową zaletą jest możliwość stopniowej zmiany składu materiału w obrębie jednego komponentu. Dzięki temu zewnętrzna warstwa może być wyjątkowo twarda i odporna na zużycie, podczas gdy wnętrze pozostaje lżejsze, co pozwala uzyskać optymalny kompromis między masą a wytrzymałością.
Czytaj też: Najmocniejsze materiały zwykle pękają. Ten złamał starą zasadę
Dotychczas większość wysokotemperaturowych stopów wykorzystywanych w przemyśle opierała się głównie na niklu lub kobalcie z dodatkiem nawet kilkunastu innych pierwiastków. Problem polega jednak na tym, że liczba możliwych kombinacji składników jest ogromna. Przetestowanie ich wszystkich w tradycyjny sposób wymagałoby przeprowadzenia dziesiątek tysięcy eksperymentów, co czyni takie poszukiwania niezwykle czasochłonnymi i kosztownymi.
Aby pokonać tę barierę, badacze wykorzystali metodę określaną jako aktywne uczenie. Łączy ona modelowanie komputerowe, algorytmy uczenia maszynowego i zautomatyzowane stanowiska do wytwarzania oraz testowania materiałów. W praktyce powstało samodzielnie działające laboratorium, które potrafi wskazywać najbardziej obiecujące składy stopów, wytwarzać próbki, badać ich właściwości, a następnie wykorzystywać uzyskane wyniki do planowania kolejnych eksperymentów. Cały proces przebiega przy minimalnym udziale człowieka.
Autorzy podkreślają, że jednym z największych problemów podczas projektowania nowych materiałów z wykorzystaniem sztucznej inteligencji jest brak danych. Typowe modele uczenia maszynowego wymagają ogromnych zbiorów informacji o właściwościach materiałów, jednak w przypadku zupełnie nowych stopów takie dane po prostu nie istnieją. Opracowany przez członków zespołu model rozwiązuje ten problem dzięki stopniowemu zdobywaniu wiedzy poprzez kolejne eksperymenty. Każdy wykonany test pozwala algorytmowi lepiej przewidywać, które kombinacje pierwiastków warto zbadać jako następne.
Na potrzeby demonstracji możliwości nowej platformy naukowcy skoncentrowali się na stopach zawierających trzy główne składniki: nikiel, kobalt i chrom. Choć taki układ wydaje się stosunkowo prosty, liczba potencjalnych kombinacji pozostaje bardzo duża. Mimo to autonomiczne laboratorium potrzebowało zaledwie kilku tygodni, aby zidentyfikować sześć nowych stopów o bardzo obiecujących właściwościach.
Czytaj też: Stuletnie przekonanie trafiło do kosza. Najtwardszy materiał świata skrywa sekret
Szczególnie interesujące okazały się dwa z nich. Pierwszy powstał z myślą o elementach pracujących w temperaturach dochodzących do około 600 stopni Celsjusza, czyli takich, jakie panują w przedniej części silników odrzutowych. Stop składający się z 12 procent niklu, 62 procent kobaltu i 26 procent chromu wykazał wyjątkowo wysoką odporność na utratę twardości podczas pracy w wysokiej temperaturze. W testach laboratoryjnych przewyższył pod tym względem popularny stop Inconel 625 o około 4,5 procent, mimo że zawiera znacznie mniej różnych pierwiastków.
Jeszcze bardziej imponujące rezultaty pojawiły się w przypadku drugiego stopu, przeznaczonego do pracy w temperaturach sięgających około 1000 stopni Celsjusza. W takich warunkach jednym z głównych zagrożeń jest intensywne utlenianie powierzchni materiału, prowadzące do stopniowej degradacji elementów. Nowy stop zawierający 36 procent niklu, 14 procent kobaltu oraz 50 procent chromu wykazał odporność na utlenianie aż o 85 procent wyższą niż Inconel 625. To wynik, który może mieć ogromne znaczenie dla przyszłych konstrukcji silników lotniczych i turbin przemysłowych.
Źródło: npj Advanced Manufacturing
