西安建筑科技大學學生團隊為鈦合金穿上“柔性盔甲”

中國教育報-中國教育新聞網(wǎng)訊（通訊員 肖雯雯 記者 馮麗）鈦合金因其密度小、比強度高、抗腐蝕性強等特性，成為飛機發(fā)動機、槳轂等關(guān)鍵部件的重要材料。但鈦合金在加工時容易與模具黏附，降低了工件表面質(zhì)量與加工精度，限制了其在戰(zhàn)機等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。近日，西安建筑科技大學冶金學院“鈦潤科技”大學生創(chuàng)業(yè)團隊研發(fā)出黑磷烯綠色潤滑介質(zhì)產(chǎn)品，在鈦合金加工中形成連續(xù)、致密的保護層，為鈦合金穿上了“柔性盔甲”。

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?！扳仢櫩萍肌眻F隊對黑磷烯等二維材料進行進一步改性，優(yōu)化其抗氧化、潤滑等性能，實現(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現(xiàn)新突破。

成功得來并非偶然。2021年，金屬材料加工工程專業(yè)大四學生張若云在冶金學院王偉教授支持下創(chuàng)立“鈦潤科技”大學生創(chuàng)業(yè)團隊，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。

團隊成員在寶鈦集團、長羽航空等企業(yè)調(diào)研時，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)品大多依賴進口，企業(yè)加工面臨成品率低、成本高等困境。

如何助企破局，研發(fā)出高效的潤滑介質(zhì)產(chǎn)品？在王偉老師引導下，團隊結(jié)合調(diào)研發(fā)現(xiàn)和相關(guān)文獻梳理，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。

2022年8月，團隊在解決高承載下潤滑失效的難題上取得重大突破。通過修飾黑磷烯表面、橋連親水分子集團解決了鈦合金分散難題，并經(jīng)3000余次工藝參數(shù)的精細調(diào)整，突破鈦合金加工潤滑材料承載瓶頸，改性后的黑磷烯承載極限突破1.8GPa。

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)境中進行，而現(xiàn)有潤滑介質(zhì)無法滿足這樣的溫度條件。為解決潤滑介質(zhì)在高溫下易氧化失效難題，團隊嘗試核殼結(jié)構(gòu)化學合成方法，通過表面處理后的二維材料“捕獲”納米級無機物，在表面形成一層保護殼，防止氧氣進入內(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，目標產(chǎn)物包覆率遠低于預(yù)期，嚴重影響實驗進度和數(shù)據(jù)的可靠性。經(jīng)過百余次工藝參數(shù)篩選改進，最終實現(xiàn)了95%的包覆率。

在企業(yè)進行中試時，由于鈦合金在成形過程中會不斷形成新的表面，潤滑介質(zhì)難以在新表面上形成連續(xù)穩(wěn)定的潤滑膜，導致潤滑效果與成品質(zhì)量不佳。團隊反復(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，研發(fā)出潤滑膜多組元梯度高效潤滑技術(shù)，成功使鈦合金成形新表面形成連續(xù)穩(wěn)定的潤滑膜。

憑借對三大技術(shù)難題的破解，“鈦潤科技”團隊成功研發(fā)出黑磷烯基綠色潤滑介質(zhì)產(chǎn)品。目前，團隊申請專利15項，發(fā)表國內(nèi)外高水平學術(shù)論文13篇，獲第十四屆“挑戰(zhàn)杯”秦創(chuàng)原中國大學生創(chuàng)業(yè)計劃競賽主體賽銀獎、2023年中國國際大學生創(chuàng)新大賽全國總決賽高教主賽道金獎等多項榮譽。