一、研究的背景与问题
材料是制造业的基础，材料创新往往处在颠覆性技术革命的核心。核心材料性能10-15%的提升就可以促成装备的升级换代，“一代材料、一代装备”正在成为高端制造业的“新摩尔定律”。传统的依赖于经验与试错的材料研究方法已难以跟上工业快速发展的步伐。革新材料研发模式，加速新材料从研发到应用的进程，已成为世界各国的共同需求。
近年来，随着我国装备制造业快速迈向“无人区”，新材料研发正在从研仿走向原创时代。研仿的方法论是“文献+试错”，原创的方法论是“计算+数据”。我国的新材料研究需要走出“研仿-落后-再研仿-再落后”的循环，深刻认识材料创新机理，形成自主迭代能力，并大大缩短研发周期，以降低研发成本。
目前我国材料创新能力受制于四个痛点问题：（1）研发资源分散、研发工具软件缺乏集成部署和管控，研发效率低；（2）原始数据大多集中在科研人员手中，缺乏数据共享和传承；（3）行业主流研发生态仍是研发炒菜式的“经验+试错”，数字化研发仍属局部；（4）现有超算平台难以满足图形界面、公网计算等材料研发需求，工具软件利用门槛高，软硬件资源利用率低。
针对上述问题，中国钢研充分发挥在金属新材料研发领域多年积淀的知识、技术和产业化优势，联合北京钢研新材科技有限公司、杭州德迪智能科技有限公司，从技术、场景和生态三个维度，开展Material-DLab金属材料数字化研发平台的构建及示范应用。对强化我国金属材料基础科研能力，加速数字化研发生态形成，促进行业协同创新和变革材料研发模式具有重要意义。
二、解决问题的思路与技术方案
平台的总体研制思路如图1所示。Material-DLab金属材料数字化研发平台包括多尺度公网云计算、材料APP、科研检测数据共享、SLM高通量增材制备四大子系统，在此基础上开展应用推广，形成了数字化研发M@T认证、悬赏征算、材料APP众筹等数字化研发生态。
平台的总体研制技术路线为：（1）设计高性能服务器集群架构，满足日常材料设计、应用研发需求和偶发的大规模材料计算和仿真的算力需求。（2）选配国内外知名材料计算、工艺仿真和服役模拟软件，形成从原子尺度的第一性原理、分子动力学模拟计算，到微观尺度的相图计算、相场模拟，到宏观有限元和材料服役评估的全尺度材料研发工具体系。（3）开发多尺度公网云计算调度系统，搭载高性能服务器集群和全尺度材料研发工具体系，通过图形化窗口排队算法和公网智能路由技术开发，实现全尺度计算资源的远程计算、移动计算和排队计算，满足对于计算仿真工具与高性能计算（CPU/GPU）的使用需求。（4）研制材料APP系统，通过对不同计算算法模型的参数化建模界面封装、多形式APP调度算法的功能开发和云端生成功能开发，降低计算仿真的使用门槛，满足非计算仿真专业人员的研发需求。（4）开发科研检测数据共享管理平台，通过原始材料数据的半结构化上传和各类测试设备的数据接口开发，满足一手试验检测数据的归集管理和分权管理。通过开发基于“材料基因”的区块链技术，整合相关资源，实现文献、计算、试验数据的统一管理，数据确权、价值评估和安全共享。（5）研制元素级高通量增材制备装备，通过元素粉末微区合金化工艺开发和基于SLM（激光选区熔化）的动态量化混粉装备开发，实现不同成分宏观块体样品的高通量制备。通过配置粉末前处理、激光制备、高温热处理和金相/硬度分析装置，形成元素级高通量增材制备的整体解决方案。
图1 Material-DLab平台总体技术思路
1、多尺度公网云计算子系统
多尺度公网云计算子系统集成管理了Material Studio、Thermo-Calc、ANSYS等20余种国际知名计算、仿真软件，包括第一性原理计算软件4种、相图相场计算软件4种、多物理场计算软件1种、通用有限元软件3种、流体计算软件2种、增材/焊接/腐蚀/疲劳等特殊工况模拟软件6种，机器学习软件2种，覆盖纳观、微观、介观、宏观的全尺度计算资源（见图2），具备材料设计、组织性能预测、工艺模拟、服役仿真全流程计算能力。多数软件均可实现基于浏览器的远程计算、移动计算、排队计算（见图3），科研人员可随时随地通过浏览器登录个人账户，建立虚拟项目组，远程启动建模设计软件，并在电脑、Pad、手机等多种固定或移动终端上提交计算任务、获取计算数据，是行业内首个全图形化的多尺度云计算平台。
图2 Material-DLab集成管理的多尺度计算资源
图3 云计算调度系统的远程移动访问
2、科研检测数据共享管理子系统
科研检测数据共享管理子系统针对原始科研数据管理共享问题，可对试验任务申请唯一编码，并在项目账户下获取试验数据，支持各类试验设备、文献数据的接入，并提供个人/团队数据管理、跨团队数据发现、一键试验报告、动态评价考核等功能。基于原创性的材料基因特征和区块链协议，实现了数据权属标记和可用不可见服务，支持团队内部的数据安全共享和团队之间的数据对等发现，是建立团队级、企业级数据矿山、实现科研数据资产化的高效工具（见图4）。
图4 科研检测数据共享管理子系统
3、材料APP子系统
材料APP子系统是由本项目团队首倡，集材料/工艺专业知识、计算工程师经验于一体、针对具体材料和应用场景的微应用方案。可由具体计算案例改造实现，可共享、可传播、可移植，是科研团队数字化研发成果的载体形式之一，是行业数字化研发生态的重要组成部分。系统按照材料类别、服役方式、计算算法和工艺类型对APP资源进行分类和搜索，支持多种广义APP（云桌面型、封装型、脚本型等）的上传、下载和云端执行，提供APP云原生开发环境。目前已开发并部署了350多个不同应用场景、不同计算尺度的材料APP应用程序（见图5）。
图5 材料APP系统
4、元素粉SLM高通量增材制备子系统——3D-Alloyer
高通量制备是材料基因组技术的核心组成部分。目前国际上高通量制备平台多以扩散多元结和气相沉积为技术基础，可制备梯度薄膜样品，但由于尺度太小，难以表征试样的宏观力学性能。本项目基于SLM金属3D打印平台，率先提出了元素粉末微区合金化技术，并自主设计、开发了业内首个商业化块状样品高通量制备系统。
该技术改变传统3D打印以合金粉为原料的模式，以多种元素粉为主要原料，通过动态量化混粉，在SLM成型的同时完成合金化过程（见图6）。项目团队突破了微区冶金扩散动力学、粉末动态定量控制、高温扩散模拟等核心技术，自主设计开发的3D-Alloyer高通量制备系统包含定量送粉模块、实时混粉模块、多通道铺粉模块和高通量打印控制模块，可一次性制备上百种不同成分的力学性能样品（见图7）。
图6 基于异质粉末激光原位冶金的高通量制备原理
图7 SLM高通量制备系统及部分样件
5、材料数字化研发应用生态
基于已开发完成的Material-DLab数字化研发平台，项目团队组织开展了行业数字化研发培训与认证、悬赏征算、APP众筹、柔性项目协同等场景应用（见图8），为行业培养数字化人才，建设数字化研发生态。2020年到2021年间，已开展行业数字化研发技术培训20余次、共2000余人次参与；与钢研总院国家级专业技术人员继续教育基地合作，已面向行业培养认证了64位“M@T材料数字化研发教师、工程师”；面向行业发布2次共18个项目的“悬赏征算令”，国内外超过80家机构、170多个团队报名参与，其中50余个团队获得1万-10万元不等的个人奖励。以上活动中众筹材料APP近150个。
图8 “悬赏征算”及“M@T数字化研发认证”
三、主要创新性成果
1、突破高性能计算（HPC）架构下的图形/指令一体化的材料多尺度云计算技术，设计了基于“云堡垒”的智能路由系统，实现基于Windows-Linux多许可证调度的多尺度材料/工艺软件公网云计算。在确保软件产权的前提下实现了资源共享。
多尺度公网云计算有4大难题：软件版权、数据安全、图形化访问、许可证调度。目前，以IBM发布的LSF高性能计算调度系统为代表，几乎所有的超算操作系统都架构在Linux指令行模式下，缺乏Windows环境下的HPC图形调度系统。该平台基于Windows系统下开发了自主产权的材料计算软件License调度技术和算法，在确保软件版权的前提下，实现20了余款国际知名材料、工艺软件的远程计算、移动计算和排队计算。设计了基于“云堡垒”的智能路由系统，可实现公网、内网用户的分策略安全访问。该创新技术已申请专利1项、软件著作权1项，发表论文3篇，获得工信部典型应用案例称号1项。
2、首创基于区块链的材料数据对等发现及共享技术，突破了数据产权确认、数据汇聚和共享的行业难题，满足了材料数据确权管理及安全溯源需求，可有效实现不同团队、不同部门之间的数据共享共治。
为解决研发团队内部、团队之间数据发现和共享问题，该平台采用区块链技术标记材料数据产权，采用材料基因特征的模式识别，实现不同团队和人员之间的对等数据发现和共享，满足了数据确权管理及安全溯源需求，可促进形成企业级、行业级科研检测数据矿山，可实现FAIR原则下的跨团队、跨部门数据可发现、可访问、可操作、可重用。该创新技术已申报2项专利，2项软件著作权，1篇学术论文，获得1项国家级示范称号，2项省部级示范称号。
3、发明元素粉末SLM原位合金化高通量制备技术，突破了高速打印条件下元素粉末扩散、均质化难题，可实现一次上百种不同成分块状合金的高效制备，大幅度提升材料研发、优化迭代效率。
基于元素级激光选区熔融（SLM）原位合金化技术开发，建立了行业内首个块体样品的高通量增材制备系统。结合微区扩散动力学计算和激光多级热处理工艺开发，可实现上百个成分变化的块体样品高通量增材制备，已成功应用高熵合金、不锈钢、高温合金、超硬合金和梯度功能材料等新概念材料的高通量制备，大幅度提升材料研发、优化迭代效率。该创新技术已获批1项专利，申报4项专利，6项实用新型，1项软件著作权和4篇学术论文。
4、率先在行业内建立材料APP集群，首倡材料APP理念，形成针对特定场景，集材料/工艺专家、计算工程师经验与一体的微应用方案。提供了材料原创性研发所必需的计算-数据-场景迭代升级能力。
建成全球首个材料APP专业资源平台，开发并上线350余款材料APP应用，以解决材料、工艺和计算工程师的知识衔接和知识沉淀难题，支持多种广义APP的云端生成、云端远程计算。支持企业专区设立，可共享、可修改、可移植、可保护版权。算法覆盖纳观、微观、介观、宏观全尺度，具备从材料设计、组织性能预测、工艺模拟到服役仿真全流程的微应用计算解决方案。
5、开辟了“M@T材料数字化研发认证”、“悬赏征算”、材料APP云原生等创新应用场景，极大地促进了行业材料数字化研发生态的建设。
积极推动数字化研发应用场景创新，推出了“悬赏征算”、“M@T数字化研发认证”、材料APP众筹等的数字化研发推广机制。面向行业发布18个“悬赏征算令”，国内、外超过80家机构、170多个团队参与，50余个团队获奖；面向行业考核认证了64位“M@T材料数字化研发教师、工程师”；开展行业数字化研发技术培训2000多人次，来自数十个研发机构的用户众筹材料APP应用150多个，有力推进了各类原创工具、云原生工具的开发和共享，促成了行业级数字化研发生态的建立和成长。
四、应用情况与效果
Material-DLab金属材料数字化研发平台开放运行6个月中，累计完成在线计算任务6000余项；完成在线科研检测及数据上传任务1000余项，开发和众筹各类材料APP超过300项，向全行业发布悬赏征算任务18项、参与团队170多个，认证数字化研发教师/工程师64人，完成行业培训2000余人，直接收益超过3000万元。已应用于北京钢研高纳科技股份有限公司、安泰科技股份有限公司、鞍钢集团北京研究院有限公司、中石化广州工程有限公司、首钢智新迁安电磁材料有限公司和航发伊萨（北京）科技发展有限公司，为其带来收益累计超过1亿元。
图9 2021年悬赏征算获奖人员
该平台2020年获国资委国有企业数字化转型典型案例“材料产业链创新云服务平台”称号；上榜2020年工信部大数据产业发展试点示范项目“钢铁材料产业链应用大数据平台”；上榜工信部“2021年工业互联网平台创新领航应用案例”；入选2021年中央网信办、国务院办公厅等联合组织的“国家区块链创新应用试点”示范单位；入围2021年度央企熠星大赛复赛项目“基于元素粉末3D打印的高通量制备平台”。在中国金属学会的科技成果评价会上，谢建新院士、张统一院士和段文晖院士等11位评审专家一致认为，该平台已达到国际领先水平，可促进行业级数字化研发生态的建立和成长，经济和社会效益显著。
图10 2021年工业互联网品台创新领航应用案例
