弗吉尼亞理工大學(xué)牽頭聯(lián)合亞利桑那州立大學(xué)與愛荷華州立大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，獲得美國國家科學(xué)基金會(huì)（NSF）200萬美元資助，致力于研發(fā)適用于極端高溫環(huán)境的自潤滑、耐磨金屬合金。在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、制造設(shè)備及系統(tǒng)中，高溫摩擦?xí)?yán)重?fù)p傷金屬部件，而傳統(tǒng)液態(tài)潤滑劑在超過700攝氏度時(shí)會(huì)迅速揮發(fā)或降解。

針對傳統(tǒng)固態(tài)潤滑劑在約600攝氏度以上易氧化失效的問題，研究團(tuán)隊(duì)提出將氧化過程轉(zhuǎn)化為功能優(yōu)勢的思路。該方案旨在使合金內(nèi)部保持高強(qiáng)度，同時(shí)在運(yùn)行表面生成穩(wěn)定的低剪切力氧化層，從而在同一材料中實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與自潤滑功能。

團(tuán)隊(duì)采用復(fù)雜濃度合金與增材制造工藝進(jìn)行材料設(shè)計(jì)。復(fù)雜濃度合金提供廣闊的成分設(shè)計(jì)空間，通過多種主元元素的相互作用調(diào)控強(qiáng)度、相穩(wěn)定性、擴(kuò)散及氧化行為。研究核心假設(shè)是構(gòu)型熵有助于穩(wěn)定塊體合金基體，同時(shí)促進(jìn)表面形成低剪切力的尖晶石型氧化物。

為縮短傳統(tǒng)試錯(cuò)周期，項(xiàng)目構(gòu)建了連接理論計(jì)算、模擬仿真、增材制造、高通量實(shí)驗(yàn)、表征分析、摩擦學(xué)與機(jī)器學(xué)習(xí)的閉環(huán)設(shè)計(jì)框架。該框架通過預(yù)測能形成穩(wěn)定氧化物并保留高溫強(qiáng)度的成分組合來縮小搜索范圍，隨后制造并測試選定材料，再將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)反饋至計(jì)算與機(jī)器學(xué)習(xí)模型以優(yōu)化下一輪實(shí)驗(yàn)方案。

該技術(shù)有望降低航空航天推進(jìn)系統(tǒng)、發(fā)電設(shè)備及其他極端溫度技術(shù)對傳統(tǒng)潤滑劑和涂層的依賴。通過持續(xù)再生表面潤滑氧化層，可實(shí)現(xiàn)更低的摩擦損耗、減少部件磨損、延長使用壽命并降低維護(hù)頻率，從而提升系統(tǒng)在更高工作溫度下的可靠性。

除單一合金研發(fā)外，項(xiàng)目目標(biāo)還包括建立可復(fù)用的材料發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施。研究將公開數(shù)據(jù)集、計(jì)算工作流、物理引導(dǎo)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型及逆向設(shè)計(jì)工具，打通從成分工藝到氧化、力學(xué)性能及摩擦磨損的全鏈條。該閉環(huán)框架未來可適配于其他材料研發(fā)難題。