一种镍基高温合金机器学习力场开发方法

本发明涉及力场开发，尤其是涉及一种镍基高温合金机器学习力场开发方法。

背景技术：

1、镍基高温合金是航空航天发动机的一个关键材料，长时间处于高温、高压、高转速的工作环境中。镍基高温合金优异的高温力学性能主要来源于位错与析出相的作用，为了清楚地描述镍基高温合金在高温下的微观变形行为，需研究镍基高温合金在简单机械变形过程中微观结构演化。

2、目前，研究镍基高温合金的微观结构和变形机理主要通过透射电镜等实验手段进行，这种方法虽然能够提供有关位错、析出相等微观结构的信息，但是对于材料的变形过程的实时监测和动态观察很难实现。为了更全面深入地研究镍基高温合金的微观变形机理，分子动力学(moleculardynamics，md)模拟成为了一种有效的方法，可以用来模拟材料在原子尺度下的变形过程，为理解材料的微观变形机理提供关键信息。通过分子动力学模拟可以得到镍基高温合金中位错的运动和聚集情况，以及析出相在高温下的稳定性和演化过程。通过这些模拟结果，可以深入了解镍基高温合金在高温下的微观变形机理，进而为材料的改进设计提供理论依据。

3、然而，分子动力学模拟的准确性依赖于力场的准确性。目前已有的分子动力学模拟力场对于镍基高温合金的高温变形机理描述不够准确，因此需要开发一种新的力场，能够更准确地描述镍基高温合金中高温变形机理。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种镍基高温合金机器学习力场开发方法，可以解决镍基高温合金在高温环境下微观结构演化模拟使用的分子动力学力场模型精度差的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种镍基高温合金机器学习力场开发方法，包括以下步骤：

3、s1、从晶体材料数据库materials project获得镍基高温合金微观组织的初始构型；

4、s2、使用vasp软件对初始构型进行多个温度下的第一性原理分子动力学模拟，获得第一性原理分子动力学模拟轨迹并等间距提取第一性原理分子动力学构型；

5、s3、使用经验力场对初始构型进行简单机械变形的分子动力学模拟，获得通过简单机械变形的分子动力学模拟轨迹并等间距提取经验力场分子动力学构型；

6、s4、对初始构型进行结构微扰、构造表面、构造层错、施加空位缺陷操作，并获得相应手动构造的构型；

7、s5、利用vasp软件对初始构型、第一性原理分子动力学构型、经验力场分子动力学构型、手动构造的构型进行高精度单点能计算，获取初始构型、第一性原理分子动力学构型、经验力场分子动力学构型、手动构造的构型的势能、原子受力信息和位力信息；

8、s6、将初始构型、第一性原理分子动力学构型、经验力场分子动力学构型、手动构造的构型的的势能、原子受力信息和位力信息作为数据库，通过训练得到镍基高温合金机器学习力场。

9、优选的，步骤s1中，从晶体材料数据库materials project获得镍基高温合金微观组织的初始构型包括：fcc、bcc和hcp晶体类型的单质和合金。

10、优选的，步骤s2中，第一性原理分子动力学模拟的系综为nvt系统，温度区间为10k-1500k，时间步长为1fs，截断能为420ev。

11、优选的，步骤s3中，简单机械变形包括：单轴拉伸、单轴压缩、剪切，分子动力学模拟的系综为npt系统，温度区间为10k-1500k。

12、优选的，步骤s5中，利用vasp软件对所述所有构型的进行高精度单点能计算包括：设置泛函、赝势、迭代精度和k点，进行单点能计算。

13、优选的，步骤s6中，通过训练得到镍基高温合金机器学习力场包括：将初始构型、第一性原理分子动力学构型、经验力场分子动力学构型、手动构造的构型的作为样本，将初始构型、第一性原理分子动力学构型、经验力场分子动力学构型、手动构造的构型的的信息作为标签，使用nep的神经网络模型得到镍基高温合金机器学习力场。

14、因此，本发明采用上述一种镍基高温合金机器学习力场开发方法，其技术效果如下：

15、(1)本发明通过第一性原理分子动力学和经验力场获得模拟轨迹并提取构型，获得了可以表征镍基高温合金高温微观结构演化的数据库，从而实现了建立准确表征镍基高温合金高温微观结构演化过程的镍基高温合金机器学习力场；

16、(2)本发明提高当前镍基高温合金高温分子动力学模拟精度低的问题，同时弥补了第一性原理计算效率低的缺点，实现接近于经验势的计算效率；

17、(3)本发明为深入研究镍基高温合金的高温微观结构演化提供了理论模型和必要基础，在新型镍基高温合金的设计和应用方面有着明显的优势和广泛的应用前景。

18、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

技术特征：

1.一种镍基高温合金机器学习力场开发方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种镍基高温合金机器学习力场开发方法，其特征在于，步骤s1中，从晶体材料数据库materialsproject获得镍基高温合金微观组织的初始构型包括：fcc、bcc和hcp晶体类型的单质和合金。

3.根据权利要求1所述的一种镍基高温合金机器学习力场开发方法，其特征在于，步骤s2中，第一性原理分子动力学模拟的系综为nvt系统，温度区间为10k-1500k，时间步长为1fs，截断能为420ev。

4.根据权利要求1所述的一种镍基高温合金机器学习力场开发方法，其特征在于，步骤s3中，简单机械变形包括：单轴拉伸、单轴压缩、剪切，分子动力学模拟的系综为npt系统，温度区间为10k-1500k。

5.根据权利要求1所述的一种镍基高温合金机器学习力场开发方法，其特征在于，步骤s5中，利用vasp软件对所述所有构型的进行高精度单点能计算包括：设置泛函、赝势、迭代精度和k点，进行单点能计算。

6.根据权利要求1所述的一种镍基高温合金机器学习力场开发方法，其特征在于，步骤s6中，通过训练得到镍基高温合金机器学习力场包括：将初始构型、第一性原理分子动力学构型、经验力场分子动力学构型、手动构造的构型的作为样本，将初始构型、第一性原理分子动力学构型、经验力场分子动力学构型、手动构造的构型的的信息作为标签，使用nep的神经网络模型得到镍基高温合金机器学习力场。

技术总结
本发明公开了一种镍基高温合金机器学习力场开发方法，包括获得镍基高温合金微观组织的初始构型；对初始构型进行多个温度下的第一性原理分子动力学模拟，获得第一性原理分子动力学构型；使用经验力场对初始构型进行简单机械变形的分子动力学模拟，获得经验力场分子动力学构型；对初始构型进行结构微扰、构造表面、构造层错、施加空位缺陷，获得手动构造的构型；对所有构型进行高精度单点能计算，获取所有构型的势能、原子受力信息和位力信息；将其作为数据库，通过训练得到镍基高温合金机器学习力场。本发明采用上述的一种镍基高温合金机器学习力场开发方法，解决了镍基高温合金在高温环境下微观结构演化模拟使用的分子动力学力场模型精度差问题。

技术研发人员：孙李刚,梁仕荣,李东风,应鹏华
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学（深圳）（哈尔滨工业大学深圳科技创新研究院）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14