Machine Learning Guided CALPHAD Design of Ru-Stabilized BCC B2 Refractory Alloys

تعد المعادن التي يمكنها تحمل الحرارة الشديدة لمحرك نفاث أو فوهة صاروخ من بين أكثر المواد تطلباً التي يجب على المهندسين ابتكارها. ولعقود من الزمن، كانت السبائك الفائقة القائمة على النيكل هي بطلة هذا العالم عالي الحرارة. تعتمد هذه المواد على بنية داخلية ذكية: مصفوفة معدنية لينة ومرنة يتم تقويتها عن طريق جزر صغيرة ومنظمة من بنية بلورية مختلفة منتشرة في جميع أنحائها. يسمح هذا الترتيب للمعدن بأن يظل قوياً دون أن يصبح هشاً، حتى عندما ترتفع درجات الحرارة بشكل هائل. ومع ذلك، تصل سبائك النيكل في النهاية إلى حائط مسدود؛ فمع ارتفاع درجات الحرارة فوق نقطة معينة، تفقد الجزر المنظمة بنيتها، وتفشل المادة. ولتجاوز هذا الحد، يتجه العلماء نحو المعادن الحرارية (refractory metals) — وهي عناصر مثل النيوبيوم والتانتالوم والموليبدينوم التي تنصهر عند درجات حرارة عالية للغاية. والهدف هو بناء جيل جديد من السبائك التي تحاكي البنية الناجحة للنيكل ولكن يمكنها الصمود في بيئات قد ينصهر فيها النيكل ببساطة.

يكمن التحدي في إيجاد الوصفة الصحيحة. وبينما تُعرف المعادن الأساسية بقدرتها على تشكيل بنية مستقرة ومرنة، فإن إضافة المكونات المحددة اللازمة لإنشاء جزر التقوية هي عملية توازن معقدة. فإذا أضيفت العناصر الخاطئة، فقد تشكل السبيكة مركبات هشة وغير مفيدة بدلاً من الطور المطلوب للتقوية، أو قد تنصهر في وقت مبكر جداً. لسنوات، اعتمد الباحثون على التجربة والخطأ أو الحسابات البطيئة خطوة بخطوة للعثور على هذه الوصفات. لكن دراسة جديدة أجراها ناثان بيترسون، وأفيك ماهاتا، وزملاؤهم في جامعة كاليفورنيا بوليتكنيك الحكومية وكلية ميريماك، تتبع نهجاً مختلفاً؛ حيث جمعوا بين عمليات المحاكاة الحاسوبية القوية واستراتيجية التعلم الآلي لاستكشاف مشهد واسع من تركيبات المعادن المحتملة، بحثاً عن نوع محدد من السبائك يظل مستقراً وقوياً فوق درجة حرارة 1300 درجة مئوية بكثير.

ركز الباحثون في تصميمهم على بنية بلورية مكعبة مركزية الجسم تعمل كمصفوفة مرنة، يتم تقويتها بطور منظم يُعرف باسم B2. ولجعل هذا الطور المنظم مستقراً في الحرارة القصوى، لجأوا إلى الروثينيوم، وهو معدن نادر أظهر قدرة فريدة على تثبيت هذه البنى في درجات الحرارة التي تفشل فيها التركيبات الأخرى. وضع الفريق خطة لاستكشاف مجموعة مكونة من عشرة عناصر تضم النيوبيوم، والتانتالوم، والموليبدينوم، والفاناديوم، والروثينيوم، والتيتانيوم، والزركونيوم، والهافنيوم، والألومنيوم، واليتريوم. لم يكتفوا باختبار بعض التخمينات فحسب، بل استخدموا نظاماً حاسوبياً يمكنه تقييم آلاف الوصفات المحتملة، لكنهم احتاجوا إلى وسيلة لتكون العملية فعالة. لذا، استخدموا نموذج تعلم آلي، وتحديداً خوارما "الغابة العشوائية" (random forest algorithm)، والتي تعمل كمرشح ذكي. تعلم هذا النموذج من مجموعة صغيرة من الحسابات التفصيلية للتنبؤ بسلوك الوصفات الجديدة غير المختبرة، مما سمح للفريق بالتركيز على أكثر المرشحين واعداً في الحسابات الأكثر تكلفة واستهلاكاً للوقت.

بدأت الدراسة بإجراء حسابات توازن تفصيلية على 500 تركيبة سبيكة مختلفة. حاكت هذه الحسابات الأطوار التي ستوجد في درجات حرارة مختلفة، من 1000 درجة إلى 2500 درجة مئوية. وضع الفريق أربعة قواعد صارمة لسبيكة ناجحة. أولاً، يجب أن تظل البنية ثنائية الطور (المصفوفة وجزر التقوية) مستقرة فوق 1300 درجة مئوية. ثانياً، يجب أن تظل السبيكة صلبة تماماً عند درجة الحرارة تلك، دون تكون أي سائل. ثالثاً، يجب أن تكون السبيكة "نقية"، مما يعني أنها تحتوي فقط على المصفوفة وأطوار التقوية المطلوبة، وتتجنب المركبات المنافسة الهشة التي من شأنها إفساد قوة المادة. رابعاً، يجب أن تشكل جزر التقوية نسبة محددة من السبيكة، تتراوح بين 15 و55 بالمائة، لتوفر تعزيزاً فعالاً دون جعل المادة شديدة الهشاشة.

من بين 500 سبيكة تم اختبارها، استوفت 100 سبيكة فقط جميع هذه المعايير الصارمة الأربعة. ويسلط معدل النجاح هذا، البالغ 20 بالمائة، الضوء على مدى صعوبة العثور على المزيج الصحيح من العناصر. ومن بين الفائزين، وجد الباحثون 19 سبيكة حافظت على محتوى الروثينيوم منخفضاً نسبياً، عند 10 بالمائة أو أقل. وهذا اكتشاف مهم لأن العمل السابق أشار إلى أن السبائك ذات محتوى الروثينيوم العالي عرضة للتصدع أثناء التصنيع. وكانت الوصفات الأكثر نجاحاً في هذه المجموعة تعتمد على النيوبيوم، ممزوجة بالتانتالوم أو الموليبدينوم، ومثبتة بالهافنيوم. إحدى السبائك البارزة، المكونة من النيوبيوم والموليبدينوم والتيتانيوم والروثينيوم والهافنيوم والزركونيوم، حافظت على بنيتها ثنائية الطور حتى درجة حرارة مذهلة بلغت 2250 درجة مئوية. كما أكدت الدراسة صحة نهجهم من خلال إعادة اكتشاف سبيكتين تم تحديدهما من خلال أعمال تجريبية سابقة، مما أثبت أن بحثهم الموجه حاسوبياً يمكنه إيجاد مواد حقيقية وقابلة للتطبيق.

كشفت الدراسة أيضاً عن قواعد واضحة حول العناصر التي تساعد والتي تضر. فقد تأكد أن الروثينيوم هو المفتاح للاستقرار عند درجات الحرارة العالية؛ حيث إن زيادة محتواه ترفع الحد الحراري للسبيكة إلى حوالي 9 أو 10 بالمائة، وبعد ذلك لا تقدم إضافة المزيد أي فائدة تذكر. ومن بين العناصر الأخرى، أثبت الهافنيوم أنه الأكثر فعالية في الحفاظ على الاستقرار، يليه الزركونيوم والتيتانيوم. أما التانتالوم فقد ساعد في رفع درجة الانصهار، بينما كان الفاناديوم ضرورياً لإبقاء السبيكة خالية من الأطوار الهشة غير المرغوب فيها. وعلى العكس من ذلك، وجدت الدراسة أن إضافة الألومنيوم أو اليتريوم كان دائماً خطأً؛ إذ تميل هذه العناصر إلى تحفيز تكوين أطوار منافسة وهشة تدمر سلامة السبيكة. وكان وجود الألومنيوم، على وجه الخصوص، عاملاً رئيسياً في تكوين مركبات غير مرغوب فيها، خاصة عند اقترانه بالتانتالوم.

بينما نجح نظام التعلم الآلي في تحديد هذه السبائك الواعدة، كشفت الدراسة أيضاً عن خلل في كيفية توجيه البحث في البداية. كان النموذج الحاسوبي المستخدم لتصنيف المرشحين يركز بشكل مفرط على استكشاف المناطق غير المؤكدة بدلاً من استغلال المسارات الأفضل معرفة. تسبب هذا الانحياز في انحراف البحث نحو سبائك تحتوي على الألومنيوم والزركونيوم، والتي اعتقد النموذج أنها مثيرة للاهتمام ولكنها فشلت في نهاية المطاف في اختبارات النقاء الصارمة. أدرك الباحثون أن الطريقة التي وزنوا بها عدم اليقين في تنبؤاتهم كانت تحرف النتائج، مما جعل النظام يطارد تركيبات معقدة وفوضوية بدلاً من التركيبات النظيفة والمستقرة التي كانوا يحتاجونها. هذه الرؤية لا تقل قيمة عن وصفات السبائك نفسها، فهي توفر خارطة طريق لتحسين عمليات البحث المستقبلية.

تخلص الدراسة إلى أنه بينما كانت النماذج الحاسوبية جيدة في التنبؤ بالسلوك العام لهذه المعادن، فإن عملية الفرز النهائية تحتاج إلى دقة أكبر. ويؤكد الباحثون أن مجرد العثور على سبيكة مستقرة ليس كافياً؛ بل يجب أن تمتلك المادة التوازن الصحيح بين الأطوار وتتجنب ملوثات محددة. وقد حددوا أن عدم التطابق في حجم الذرات في الأطوار المختلفة هو عامل حاسم يحتاج إلى قياسه بشكل مباشر في الأعمال المستقبلية. ومن خلال الجمع بين الحسابات الديناميكية الحرارية والتعلم الآلي، رسم الفريق خارطة طريق لمنطقة جديدة من السبائك الحرارية. لقد أظهروا أنه من خلال الاختيار الدقيق لعناصر مثل الهافنيوم والروثينيوم مع تجنب الألومنيوم واليتريوم، يمكن تصميم معادن قادرة يوماً ما على العمل في البيئات القاسية لمحركات الطيران من الجيل القادم. يوفر هذا العمل أساساً متيناً للمجربين لبدء بناء واختبار هذه المواد الجديدة، مما يقرب المجال من الوصول إلى سبائك يمكنها حقاً التفوق على عمالقة النيكل في الماضي.