多维状态空间中合金性质的全局优化算法研究

随着科学技术的发展，新型材料的开发在各个国家的科研中占有显著的地位。在现代合金/材料设计中，相图特别是多元合金计算相图起着极其重要的作用。具有特殊性能的新型合金的开发以及现有合金的性能改善都需要进行大量的实验，通过不同合金组成配方、不同生产工艺的试验研究来寻找合适的组成和生产工艺以达到最佳的性能。本项目首次将全局最优化的方法与相平衡计算相结合，在多元多相平衡的多维空间中自动搜索具有目标函数最佳值的合金组成与温度等参数值或范围，并将用这些搜索到的参数来指导合金的实验设计。这种全局最优化方法可以加速合金设计的过程，减少试验的次数，从而降低成本并提高合金设计的效率。同时，本项目提出的算法不只局限于相平衡性质的搜寻，与相和相平衡有关的其它性质，如：密度、电导等等，都可以作为搜寻的目标函数。因此，本项目的完成将有更广阔的应用前景。

在现代合金/材料设计中，相图特别是多元合金相图计算起着极其重要的作用。目前，大部分合金的设计都基于大量的实验，通过不同合金组成配比、不同生产工艺的实验研究来寻找合适的组成和最佳的性能。在相图计算方面，若干相图计算软件还是基于局部平衡算法，不仅不便使用而且难于完全避免局部平衡的出现，使计算失真。本课题主要研究目标为寻找并实现一种有效的全局优化算法，在多元合金体系的组成-温度多维状态空间中搜寻感兴趣的最佳目标函数。研究的主要内容包括：1）全局最优化算法的研究和实现，可以在多维空间中自动搜寻多元系相平衡的最稳定结果，2）计算结果的验证，并将全局最优化算法运用到铝-锌镀液合金、镁基储氢合金的材料设计中。.经过三年的努力，我们取得了一定的成绩，基本达到预期目标。用C++为编程语言，编写了全局优化算法的程序，并通过Pandat软件将其实现。在全局最优化算法的基础上，优化了铝-锌镀液体系（Al-Zn-Si-Fe-Ti）和镁基储氢合金体系（Mg-Ni-La-H）体系多元合金相图数据库。计算不同温度和成分范围的相图、析出相种类和含量以及凝固路径等结果，指导铝-锌镀液和镁基储氢合金的设计。三年来，我们共发表论文13篇，在国际和国内会议上6次报告，并培养了2名博士生和2名硕士生。