尹海清，徐斌，姜雪，張聰，張瑞杰，劉國權(quán)，曲選輝，2

1. 北京科技大學(xué)鋼鐵共性技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100083

2. 北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院，北京 100083

數(shù)據(jù)庫（集）基本信息簡介

引 言

高溫合金具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能、良好的疲勞性能和斷裂韌性[1]，是指在600℃以上的環(huán)境中能夠應(yīng)對(duì)復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境，并且可以保持表面穩(wěn)定性的合金，是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)常用材料。高溫合金分為鐵基、鎳基和鈷基3類高溫合金，其中由于鎳具有FCC結(jié)構(gòu)組織穩(wěn)定，室溫到高溫不發(fā)生同素異性轉(zhuǎn)變，500℃以下幾乎不氧化，且合金化能力強(qiáng)，添加十余種元素?zé)o有害相的特點(diǎn)[2]，因此是應(yīng)用最為廣泛的高溫合金材料。鎳基高溫合金在 650～1000℃范圍內(nèi)具有較高的強(qiáng)度和良好的抗氧化、抗燃?xì)飧g能力[3]，廣泛應(yīng)用于航天發(fā)動(dòng)機(jī)及航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤。高溫合金優(yōu)異的力學(xué)性能是航空發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的保證，是推動(dòng)航空事業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，因此研究鎳基高溫合金力學(xué)性能對(duì)于我國航天航空事業(yè)的發(fā)展具有重要意義[4]。自1956年第一爐高溫合金試煉成功，迄今為止，我國高溫合金的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用已經(jīng)歷了多年的發(fā)展歷程?；仡櫠嗄甑臍v史，我國的高溫合金從無到有，從仿制到自主創(chuàng)新，合金的耐溫性能從低到高，先進(jìn)工藝得到了應(yīng)用，新型材料得以開發(fā)，生產(chǎn)工藝不斷改進(jìn)且產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高，并建立和完善了我國的高溫合金體系，使我國航空、航天工業(yè)生產(chǎn)和發(fā)展所需的高溫合金材料立足于國內(nèi)，也為其他工業(yè)部門的發(fā)展提供了需要的高溫材料[5]。

然而，高溫合金是國家重要軍備資源，保密性極強(qiáng)，美國高溫合金的生產(chǎn)企業(yè)主要有P&W、GE、Honeywell等，對(duì)高溫合金數(shù)據(jù)的管理十分嚴(yán)格，公司內(nèi)部數(shù)據(jù)庫處于保密狀態(tài)，因此高溫合金數(shù)據(jù)的獲取并不容易。高溫合金數(shù)據(jù)方面，國外已有的涉及高溫合金的數(shù)據(jù)庫包括美國國家標(biāo)準(zhǔn)局材料性能數(shù)據(jù)庫，此數(shù)據(jù)庫部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)收費(fèi)；荷蘭PETTER歐洲研究中心的高溫材料數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)開放且數(shù)據(jù)涉及范圍為力學(xué)與熱力學(xué)；日本金屬研究所、日本金屬學(xué)會(huì)建立的金屬材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)庫與日本國家材料科學(xué)研究所建立的“材料數(shù)據(jù)平臺(tái)”處于數(shù)據(jù)開放狀態(tài)。歐美俄日等國家十分重視高溫合金信息的保護(hù)，國外高溫合金數(shù)據(jù)庫依附于各個(gè)研究機(jī)構(gòu)，并且有較高的保密性。國內(nèi)高溫合金數(shù)據(jù)庫有材料科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)，材料基因工程專用數(shù)據(jù)庫，但整體上高溫合金數(shù)據(jù)庫建設(shè)相對(duì)緩慢，對(duì)外公開的高溫合金數(shù)據(jù)庫較少，使得國家高溫合金數(shù)據(jù)交流困難，一定程度制約高溫合金發(fā)展。所以國內(nèi)學(xué)者使用高溫合金數(shù)據(jù)相對(duì)困難，資源獲取相對(duì)困難。

因此，建立高溫合金數(shù)據(jù)庫對(duì)未來國家航空發(fā)展具有重要的意義。本數(shù)據(jù)集希望拓寬高溫合金數(shù)據(jù)獲取通道，加強(qiáng)領(lǐng)域人才數(shù)據(jù)交流，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，推動(dòng)高溫合金研究發(fā)展，促進(jìn)國家材料基因工程發(fā)展。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)源

本數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)來源包括四種途徑：（1）領(lǐng)域內(nèi)最具影響力的國際高溫合金大會(huì)會(huì)議論文集（International Symposium on Superalloys）；（2）《中國高溫合金手冊(cè)》[6]；（3）鎳基高溫合金相圖熱力學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)；（4）國內(nèi)外公開發(fā)表的優(yōu)質(zhì)期刊文章。其中國內(nèi)外公開發(fā)表的高溫合金相關(guān)文章的數(shù)據(jù)采集仍在不斷進(jìn)行中，數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)量將不斷擴(kuò)大。

國際高溫合金大會(huì)創(chuàng)立于1968年，每4年舉行一次，是高溫合金領(lǐng)域水平最高、影響力最大、歷史最悠久的國際性學(xué)術(shù)大會(huì)。每次會(huì)議均在9月舉行，由來自世界各地著名的科研院所與高校、發(fā)動(dòng)機(jī)制造公司和高溫合金生產(chǎn)公司等產(chǎn)學(xué)研用單位的代表們參加，被譽(yù)為高溫合金界的“奧林匹克大會(huì)”[7]。國際高溫合金大會(huì)論文研究范圍包括鐵基高溫合金、鎳基高溫合金和鈷基高溫合金3類。而文章內(nèi)容涉及鑄造（定向結(jié)晶、單晶、多晶）高溫合金工藝、變形高溫合金工藝和粉末冶金高溫合金工藝，并研究其蠕變性能、疲勞性能和腐蝕性能，還包括各元素對(duì)高溫合金組織性能的影響等多個(gè)方面，其廣泛的研究范圍為數(shù)據(jù)的開拓應(yīng)用提供保障。目前收錄了1980年至2016年間的國際高溫合金大會(huì)會(huì)議論文集的文章數(shù)據(jù)?！吨袊邷睾辖鹗謨?cè)》是國內(nèi)權(quán)威高溫合金著作，高溫合金實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠性強(qiáng)，是國內(nèi)頂級(jí)的高溫合金參數(shù)著作。相圖計(jì)算以熱力學(xué)計(jì)算為基礎(chǔ)，通過添加元素計(jì)算高溫合金相組成，實(shí)現(xiàn)提高強(qiáng)化相含量、減少有害相含量的目的，是設(shè)計(jì)高溫合金的有效手段。以 Acta Materialia為代表的國際知名結(jié)構(gòu)材料學(xué)術(shù)期刊收納大量高溫合金相關(guān)學(xué)術(shù)文章，同樣包含大量高質(zhì)量、實(shí)際應(yīng)用意義強(qiáng)的高溫合金數(shù)據(jù)，可進(jìn)一步拓展高溫合金研究。本數(shù)據(jù)集以高溫合金手冊(cè)、熱力學(xué)計(jì)算和優(yōu)質(zhì)論文作為數(shù)據(jù)采集對(duì)象，將論文集中鎳基高溫合金的實(shí)驗(yàn)、計(jì)算類數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、整理，形成高溫合金數(shù)據(jù)集。

1.2 數(shù)據(jù)內(nèi)容規(guī)范

根據(jù)《材料科學(xué)數(shù)據(jù)統(tǒng)一描述規(guī)范的建立與應(yīng)用》[8]對(duì)材料科學(xué)數(shù)據(jù)建立與描述方式的規(guī)范，以及《材料科學(xué)數(shù)據(jù)提交格式規(guī)范》對(duì)材料科學(xué)數(shù)據(jù)收集、整理、提交做出的統(tǒng)一格式要求[9]，確定鎳基高溫合金數(shù)據(jù)內(nèi)容（表1），最終獲得鎳基高溫合金數(shù)據(jù)集。鎳基高溫合金數(shù)據(jù)分為通用信息、材料牌號(hào)、材料名稱、化學(xué)成分、原材料信息、性能信息、實(shí)驗(yàn)條件、數(shù)據(jù)生產(chǎn)與審核8個(gè)大模塊。每個(gè)大模塊下又會(huì)有各自的小模塊，細(xì)化鎳基高溫合金數(shù)據(jù)的描述，全面提取文章中的可用信息，保證數(shù)據(jù)的完整性。然后按照鎳基高溫合金數(shù)據(jù)模板內(nèi)容在文章中尋找可用模板數(shù)據(jù)并記錄。

表1 鎳基高溫合金數(shù)據(jù)內(nèi)容

1.3 數(shù)據(jù)收集范圍

本數(shù)據(jù)集中數(shù)據(jù)主要根據(jù)高溫合金實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行收集。高溫合金的使用需求主要是力學(xué)性能滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際要求，因此數(shù)據(jù)范圍主要包括拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、持久強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度等宏觀力學(xué)性能，以及晶格錯(cuò)配度、相含量等影響宏觀力學(xué)性能的微觀組織特性。數(shù)據(jù)收集范圍以《中國高溫合金手冊(cè)》中涉及的性能為依據(jù)，以實(shí)際應(yīng)用為向?qū)?，進(jìn)一步促進(jìn)高溫合金數(shù)據(jù)收集的發(fā)展。

1.4 數(shù)據(jù)采集與處理

文章中的數(shù)據(jù)分為3類。第1類是數(shù)字化數(shù)據(jù)，第2類是文本數(shù)據(jù)，第3類是圖中數(shù)據(jù)。不同數(shù)據(jù)類型，其數(shù)據(jù)內(nèi)容、數(shù)據(jù)所在位置和獲取方法不同。表2列舉了3種類型數(shù)據(jù)各自的數(shù)據(jù)內(nèi)容范圍，數(shù)據(jù)所在位置和數(shù)據(jù)獲取方法。

表2 數(shù)據(jù)內(nèi)容及其采集、處理方法

2 數(shù)據(jù)樣本描述

2.1 數(shù)據(jù)樣本

鎳基高溫合金數(shù)據(jù)模板通用信息、材料牌號(hào)、材料名稱、化學(xué)成分、原材料信息、性能信息、實(shí)驗(yàn)條件、數(shù)據(jù)生產(chǎn)與審核8個(gè)大模塊中，材料牌號(hào)、材料名稱、化學(xué)成分、性能信息與實(shí)驗(yàn)條件5項(xiàng)是必填項(xiàng)，以此保證數(shù)據(jù)的完整性。

通用部分（圖 1）包括創(chuàng)建時(shí)間、關(guān)鍵詞、提交者、摘要信息、DOI、數(shù)據(jù)錄入方式、模板名，展示數(shù)據(jù)的基本生產(chǎn)信息。

圖1 鎳基高溫合金數(shù)據(jù)樣本——通用部分

材料牌號(hào)、材料名稱（圖2）兩部分是該高溫合金的常用名稱。

圖2 鎳基高溫合金數(shù)據(jù)樣本——材料牌號(hào)、材料名稱

化學(xué)成分（圖3）是將高溫合金的所有添加組元進(jìn)行記錄，并且每一種化學(xué)成分對(duì)應(yīng)著其百分含量。

圖3 鎳基高溫合金數(shù)據(jù)樣本——化學(xué)成分

原材料信息（圖4）主要展示原材的特性，包括原材的某些性能特性及其生產(chǎn)過程。但是一般來說，文章中相關(guān)記錄不多。

圖4 鎳基高溫合金數(shù)據(jù)樣本——原材料信息

性能信息（圖5）中微觀組織、性能類別、性能名稱、性能值與單位一一對(duì)應(yīng)，與性能相關(guān)附件關(guān)聯(lián)的是文章中相關(guān)材料的微觀組織圖片與性能數(shù)據(jù)。

圖5 鎳基高溫合金數(shù)據(jù)樣本——性能信息

實(shí)驗(yàn)條件（圖6）將文章中所描述的實(shí)驗(yàn)步驟全部記錄下來，包括其制備過程與測試過程的工藝參數(shù)等，實(shí)現(xiàn)全流程數(shù)據(jù)的記錄。

圖6 鎳基高溫合金數(shù)據(jù)樣本——實(shí)驗(yàn)條件

數(shù)據(jù)生產(chǎn)與審核（圖7）需要提交人記錄摘錄人員及其審核數(shù)據(jù)人員信息，并且要求審核人員具有一定業(yè)內(nèi)知識(shí)水平，保證數(shù)據(jù)合理性。

圖7 鎳基高溫合金數(shù)據(jù)樣本——數(shù)據(jù)生產(chǎn)與審核

其他信息（圖8）是數(shù)據(jù)的來源方式，按照國標(biāo)GB/T7714記錄所摘錄的文章。

圖8 鎳基高溫合金數(shù)據(jù)樣本——其他信息

2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

本數(shù)據(jù)集以網(wǎng)頁形式進(jìn)行展示，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于服務(wù)器之中，響應(yīng)大數(shù)據(jù)的時(shí)代要求并為后續(xù)數(shù)據(jù)補(bǔ)充添加打下基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)形式擺脫傳統(tǒng)單機(jī)模式、共享困難的Excel表存儲(chǔ)形式，以網(wǎng)頁頁面的形式展示數(shù)據(jù)以促進(jìn)數(shù)據(jù)共享。同時(shí)，數(shù)據(jù)使用過程中可以實(shí)現(xiàn)Excel表形式的數(shù)據(jù)集調(diào)用，方便研究人員的數(shù)據(jù)使用。

未來，數(shù)據(jù)量增加至一定量時(shí)，會(huì)將數(shù)據(jù)集形成軟件，實(shí)現(xiàn)更加合理方便的數(shù)據(jù)調(diào)用，促進(jìn)國家高溫合金的研究與發(fā)展。

2.3 數(shù)據(jù)DOI標(biāo)識(shí)

數(shù)字對(duì)象唯一標(biāo)識(shí)符（Digital Object Identifier，簡稱DOI）是由美國出版協(xié)會(huì)（The Association of America Publishers，簡稱 AAP）創(chuàng)建，由國際數(shù)字對(duì)象唯一標(biāo)識(shí)符基金會(huì)（International DOI Foundation，簡稱IDF）負(fù)責(zé)運(yùn)行的數(shù)字對(duì)象唯一標(biāo)識(shí)符系統(tǒng)[10]。材料科學(xué)數(shù)據(jù)的 DOI編碼格式為“DOI:10.institution/classification.project.date.type.sequence”。圖9為DOI標(biāo)識(shí)示例與內(nèi)容描述。本數(shù)據(jù)集建立了材料數(shù)據(jù)的DOI標(biāo)識(shí)，來自同一篇文章的數(shù)據(jù)擁有唯一的DOI標(biāo)識(shí)，是數(shù)據(jù)集中對(duì)數(shù)據(jù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的描述，保證數(shù)據(jù)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)不受侵害。

圖9 數(shù)據(jù)DOI標(biāo)識(shí)示例與內(nèi)容描述

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評(píng)估

本數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)審核人和數(shù)據(jù)誤差率3個(gè)方面對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行控制和評(píng)價(jià)。

材料科學(xué)數(shù)據(jù)可以分為完全可靠、一般可靠和有待驗(yàn)證3類，其中完全可靠的數(shù)據(jù)指已公開發(fā)行的手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)、書籍等出版物的數(shù)據(jù)，一般可靠指的是公開發(fā)表的論文的數(shù)據(jù)。本數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)來源是高溫合金領(lǐng)域的公開出版的權(quán)威手冊(cè)以及公開發(fā)表的論文，數(shù)據(jù)可靠程度高，最大程度上保證了本數(shù)據(jù)集的可靠性。

本數(shù)據(jù)集采用人工方法從手冊(cè)或論文中獲取數(shù)據(jù)。對(duì)于文中明確給出的數(shù)據(jù)內(nèi)容，數(shù)字化數(shù)據(jù)進(jìn)行完整摘錄，所收集數(shù)據(jù)與原文數(shù)據(jù)一致。對(duì)于文章中圖片給出的散點(diǎn)數(shù)據(jù)，采用人工抽選對(duì)照校驗(yàn)，隨機(jī)抽取300條數(shù)據(jù)進(jìn)行重新描點(diǎn)對(duì)照，獲取數(shù)據(jù)誤差率在3%以內(nèi)。

數(shù)據(jù)審核者要求是高溫合金領(lǐng)域的知名學(xué)者或具有足夠知識(shí)水平能力保證數(shù)據(jù)正確性的人員，以此保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，本數(shù)據(jù)集的審核人是具有高溫合金材料相關(guān)豐富知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的老師。由于數(shù)據(jù)來源可靠，數(shù)據(jù)的審核主要針對(duì)數(shù)據(jù)化過程中可能出現(xiàn)的轉(zhuǎn)化誤差或操作誤差。除此之外，對(duì)于審核過程中發(fā)現(xiàn)的少數(shù)不符合高溫合金常規(guī)認(rèn)知的可疑數(shù)據(jù)，進(jìn)行了人工刪除。

4 數(shù)據(jù)價(jià)值

由于國外高溫合金數(shù)據(jù)庫對(duì)數(shù)據(jù)保密程度高，國內(nèi)學(xué)者使用數(shù)據(jù)非常困難。因此，本數(shù)據(jù)集收集高溫合金數(shù)據(jù)并對(duì)外公開，旨在突破數(shù)據(jù)信息交流的壁壘，使數(shù)據(jù)為高溫合金領(lǐng)域的研究學(xué)者和設(shè)計(jì)人員所共享，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)的使用價(jià)值。

本數(shù)據(jù)集涵蓋整個(gè)材料的過程信息，使數(shù)據(jù)使用人員能夠清晰地理解材料每一個(gè)步驟的變化。數(shù)據(jù)量約1.3萬條數(shù)據(jù)，為大數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、回歸分析及多元線性回歸等多種方法進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，可以為采用數(shù)據(jù)挖掘方法研究高溫合金奠定堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。同時(shí)，采用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行研究，契合材料基因工程的思想，有助于推動(dòng)國家材料基因工程的發(fā)展。

同時(shí)，本工作獨(dú)創(chuàng)性地應(yīng)用 DOI標(biāo)識(shí)解決了材料數(shù)據(jù)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)難題，對(duì)每一條數(shù)據(jù)和本數(shù)據(jù)集進(jìn)行知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，明確數(shù)據(jù)的產(chǎn)出，使DOI成為推動(dòng)數(shù)據(jù)共享的重要舉措。