在飛機(jī)翱翔天際的奧秘中，“輕量級大力士”鈦合金功不可沒，因其密度小、比強(qiáng)度高、抗腐蝕性強(qiáng)等特性，成為飛機(jī)發(fā)動機(jī)、槳轂等關(guān)鍵部件的重要材料。鈦合金性能卓越，卻在加工時(shí)容易與模具黏附，降低了工件表面質(zhì)量與加工精度，從而限制了它在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。近日，西安建筑科技大學(xué)“鈦潤科技”大學(xué)生創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一款黑科技產(chǎn)品，為鈦合金穿上“柔性盔甲”。

走出校園深入生產(chǎn)一線發(fā)現(xiàn)問題

黑磷烯，由黑磷剝離后得到的層狀二維材料，因其低剪切阻力和高壓承載能力，可被用作潤滑材料。“鈦潤科技”團(tuán)隊(duì)依托功能材料加工國家地方聯(lián)合工程研究中心、西安建筑科技大學(xué)雒建斌院士工作室等平臺和“表面功能化調(diào)控黑磷烯納米片及其摩擦誘導(dǎo)潤滑機(jī)理”研究項(xiàng)目資助，對黑磷烯等二維材料進(jìn)行進(jìn)一步改性，優(yōu)化其抗氧化、潤滑等性能，實(shí)現(xiàn)了潤滑介質(zhì)產(chǎn)品的性能調(diào)控，助力鈦合金加工潤滑實(shí)現(xiàn)新突破。

回顧研發(fā)的過程，要從2021年團(tuán)隊(duì)成立說起?！扳仢櫩萍肌眻F(tuán)隊(duì)，是西安建筑科技大學(xué)金屬材料加工工程專業(yè)本科四年級學(xué)生張若云，在冶金學(xué)院王偉教授的支持下于2021年10月創(chuàng)立。團(tuán)隊(duì)致力于研發(fā)鈦合金加工潤滑介質(zhì)，提高鈦合金加工效率。

團(tuán)隊(duì)成員討論實(shí)驗(yàn)方案 受訪團(tuán)隊(duì)供圖

前期，團(tuán)隊(duì)成員深入寶鈦集團(tuán)、長羽航空等企業(yè)，通過調(diào)研，他們發(fā)現(xiàn)目前國內(nèi)鈦合金加工所采用的潤滑介質(zhì)產(chǎn)品大多依賴進(jìn)口，企業(yè)加工面臨成品率低、成本高等困境。如何助企破局，成功研發(fā)高效的潤滑介質(zhì)產(chǎn)品？成員們開始尋找解決問題的關(guān)鍵。在王偉引導(dǎo)下，團(tuán)隊(duì)決定從市場調(diào)研與風(fēng)險(xiǎn)分析入手，為項(xiàng)目的開展提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支持，還綜合考量了技術(shù)、經(jīng)濟(jì)與社會因素，全面評估項(xiàng)目的可行性。

隨即，進(jìn)入項(xiàng)目研發(fā)階段，結(jié)合調(diào)研發(fā)現(xiàn)和相關(guān)文獻(xiàn)梳理，團(tuán)隊(duì)了解到鈦合金加工面臨潤滑材料難承載、高溫易失效、潤滑難成膜三大技術(shù)難題。

300余次的嘗試不放棄 突破三大難題

2022年8月，通過修飾黑磷烯表面、橋連親水分子集團(tuán)解決了鈦合金分散難題，并經(jīng)3000余次工藝參數(shù)的精細(xì)調(diào)整，突破鈦合金加工潤滑材料承載瓶頸，攻克了第一大難題，解決高承載下潤滑失效的難題，取得了第一階段重大突破。

新的挑戰(zhàn)接踵而至。鈦合金加工通常在600℃以上的高溫環(huán)境中進(jìn)行，而現(xiàn)有的潤滑介質(zhì)無法滿足這樣的溫度條件，如何解決潤滑介質(zhì)在高溫下易氧化失效難題？為此，團(tuán)隊(duì)迅速投入新一輪科研攻關(guān)。他們決定嘗試核殼結(jié)構(gòu)化學(xué)合成的方法，通過表面處理后的二維材料“捕獲”納米級無機(jī)物，在表面形成一層保護(hù)殼，防止氧氣進(jìn)入內(nèi)部與潤滑主劑發(fā)生氧化反應(yīng)，從而提升潤滑介質(zhì)產(chǎn)品的抗氧化性。然而過程中，目標(biāo)產(chǎn)物包覆率遠(yuǎn)低于預(yù)期，嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)進(jìn)度和數(shù)據(jù)的可靠性。“我們嘗試改變?nèi)軇?、調(diào)整反應(yīng)溫度、延長反應(yīng)時(shí)間等反應(yīng)條件，并對每一步反應(yīng)進(jìn)行細(xì)致監(jiān)控?！睆埲粼平榻B，經(jīng)過百余次工藝參數(shù)篩選改進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)了95%的包覆率，成功攻克第二大技術(shù)難題。

王偉教授為團(tuán)隊(duì)成員指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié) 受訪團(tuán)隊(duì)供圖

在解決以上兩個(gè)難題后，團(tuán)隊(duì)前往企業(yè)進(jìn)行中試。但鈦合金在成形的過程中會不斷形成新的表面，而潤滑介質(zhì)難以在新表面上形成連續(xù)穩(wěn)定的潤滑膜，導(dǎo)致潤滑效果與成品質(zhì)量不佳。為成功在鈦合金表面形成連續(xù)潤滑膜，團(tuán)隊(duì)反復(fù)調(diào)適多組元成分之間的配比，經(jīng)過300余次的嘗試，2024年3月，團(tuán)隊(duì)基于摩擦化學(xué)反應(yīng)原理，研發(fā)了潤滑膜多組元梯度高效潤滑技術(shù)，成功使鈦合金成形表面形成連續(xù)穩(wěn)定的潤滑膜，解決了第三大技術(shù)難題?！扳仢櫩萍肌眻F(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出黑磷烯基綠色潤滑介質(zhì)產(chǎn)品，在鈦合金加工中形成連續(xù)、致密的保護(hù)層，為鈦合金穿上“柔性盔甲”，從而保障鈦合金加工精度。

據(jù)介紹，目前，該團(tuán)隊(duì)申請專利15項(xiàng)，發(fā)表國內(nèi)外高水平學(xué)術(shù)論文13篇，獲第十四屆“挑戰(zhàn)杯”秦創(chuàng)原中國大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計(jì)劃競賽主體賽銀獎、2023年中國國際大學(xué)生創(chuàng)新大賽全國總決賽高教主賽道金獎等多項(xiàng)榮譽(yù)?；仡櫼宦纷邅淼臍v程，張若云和團(tuán)隊(duì)成員感慨良多?！斑@段經(jīng)歷激勵了我們在潤滑技術(shù)領(lǐng)域中不斷探索與創(chuàng)新，未來，我們還將計(jì)劃逐步將產(chǎn)品推廣至整個(gè)金屬加工潤滑領(lǐng)域?！?/p>


責(zé)任編輯：黃蕊