飛機(jī)翱翔天際，“輕量級(jí)大力士”鈦合金功不可沒(méi)，因其密度小、抗腐蝕性強(qiáng)等特性，成為飛機(jī)發(fā)動(dòng)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(rùn)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”。

　　團(tuán)隊(duì)走出校園深入生產(chǎn)一線發(fā)現(xiàn)問(wèn)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(rùn)滑材料。“鈦潤(rùn)科技”團(tuán)隊(duì)依托功能材料加工國(guó)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(tái)和“表面功能化調(diào)控黑磷烯納米片及其摩擦誘導(dǎo)潤(rùn)滑機(jī)理”研究項(xiàng)目資助，對(duì)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(rùn)滑等性能，實(shí)現(xiàn)了潤(rùn)滑介質(zhì)產(chǎn)品的性能調(diào)控，助力鈦合金加工潤(rùn)滑實(shí)現(xiàn)新突破。

團(tuán)隊(duì)成員討論實(shí)驗(yàn)方案

　　回顧研發(fā)的過(guò)程，要從2021年團(tuán)隊(duì)成立說(shuō)起。“鈦潤(rùn)科技”團(tuán)隊(duì)，是西安建筑科技大學(xué)金屬材料加工工程專(zhuān)業(yè)本科四年級(jí)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(rùn)滑介質(zhì)，提高鈦合金加工效率。

　　前期，團(tuán)隊(duì)成員深入寶鈦集團(tuán)、長(zhǎng)羽航空等企業(yè)，通過(guò)調(diào)研，他們發(fā)現(xiàn)目前國(guó)內(nèi)鈦合金加工所采用的潤(rùn)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(rùn)滑介質(zhì)產(chǎn)品？成員們開(kāi)始尋找解決問(wèn)題的關(guān)鍵。在王偉引導(dǎo)下，團(tuán)隊(duì)決定從市場(chǎng)調(diào)研與風(fēng)險(xiǎn)分析入手，為項(xiàng)目的開(kāi)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(huì)因素，全面評(píng)估項(xiàng)目的可行性。

　　隨后，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(rùn)滑材料難承載、高溫易失效、潤(rùn)滑難成膜三大技術(shù)難題。

　　300余次嘗試不放棄突破三大難題

　　2022年8月，通過(guò)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(rùn)滑材料承載瓶頸，攻克了第一大難題，解決高承載下潤(rùn)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，現(xiàn)有的潤(rùn)滑介質(zhì)無(wú)法滿足這樣的溫度條件，如何解決潤(rùn)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(guò)表面處理后的二維材料“捕獲”納米級(jí)無(wú)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(rùn)滑主劑發(fā)生氧化反應(yīng)，從而提升潤(rùn)滑介質(zhì)產(chǎn)品的抗氧化性。然而過(guò)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⒄{(diào)整反應(yīng)溫度、延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間等反應(yīng)條件，并對(duì)每一步反應(yīng)進(jìn)行細(xì)致監(jiān)控。”張若云介紹，經(jīng)過(guò)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。

　　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。鈦合金在成形的過(guò)程中會(huì)不斷形成新的表面，而潤(rùn)滑介質(zhì)難以在新表面上形成連續(xù)穩(wěn)定的潤(rùn)滑膜，導(dǎo)致潤(rùn)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(rùn)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(guò)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(rùn)滑膜多組元梯度高效潤(rùn)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(rùn)滑膜，解決了第三大技術(shù)難題。“鈦潤(rùn)科技”團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出黑磷烯基綠色潤(rùn)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(qǐng)專(zhuān)利15項(xiàng)，發(fā)表國(guó)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(guó)大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計(jì)劃競(jìng)賽主體賽銀獎(jiǎng)、2023年中國(guó)國(guó)際大學(xué)生創(chuàng)新大賽全國(guó)總決賽高教主賽道金獎(jiǎng)等多項(xiàng)榮譽(yù)。回顧一路走來(lái)的歷程，張若云和團(tuán)隊(duì)成員感慨良多：“這段經(jīng)歷激勵(lì)我們?cè)跐?rùn)滑技術(shù)領(lǐng)域不斷探索與創(chuàng)新，未來(lái)，我們還將計(jì)劃逐步將產(chǎn)品推廣至整個(gè)金屬加工潤(rùn)滑領(lǐng)域。”