Phát minh mới của Trung Quốc khiến ngành hàng không vũ trụ rung chuyển: Tạo ra hợp kim 'sống sót' ở 2.400 độ C, có độ bền kéo vượt 800 MPa

Nghiên cứu do nhóm của Giáo sư Sun Jun tại Đại học Giao thông Tây An dẫn đầu, được công bố trên tạp chí Nature. Vật liệu mới dựa trên tantali, một kim loại rất cứng, có độ dẻo cao và điểm nóng chảy gần 3.000 độ C. Đây là nhóm kim loại hiếm hoi có thể chịu tải trong môi trường trên 2.000 độ C, mức nhiệt mà phần lớn vật liệu kim loại thông thường không còn giữ được độ bền.

Trong các ứng dụng cực hạn, vật liệu không chỉ cần "không chảy" mà còn phải chịu được tải trọng lớn. Đây là bài toán khó với động cơ hàng không, thiết bị bay siêu thanh, lò phản ứng hạt nhân hay các hệ thống làm việc trong môi trường nhiệt độ rất cao. Nhiều kim loại khi đạt khoảng 60% điểm nóng chảy sẽ nhanh chóng thay đổi cấu trúc bên trong, mềm đi hoặc mất khả năng chịu lực.

Ngay cả các siêu hợp kim đơn tinh thể nền niken, vốn được dùng nhiều trong động cơ máy bay, cũng khó vượt ngưỡng 2.000 độ C. Trong khi đó, các hợp kim tantali truyền thống dù có điểm nóng chảy cao vẫn gặp hạn chế về độ bền và độ giòn khi làm việc lâu ở nhiệt độ cực lớn.

Thông thường, hợp kim tantali được gia cường bằng phương pháp phân tán ôxít. Các hạt gốm siêu nhỏ được rải đều trong nền kim loại, đóng vai trò như "giàn giáo" bên trong để ngăn vật liệu biến dạng. Tuy nhiên, trên 2.000 độ C, các hạt này có thể bị hòa tan hoặc mất ổn định, khiến hợp kim suy yếu và trở nên giòn.

Từ thập niên 1960, NASA từng nghiên cứu hướng dùng cacbua, tức các hợp chất được gia cường bằng carbon, do chúng có điểm nóng chảy cao hơn ôxít. Một hợp kim nổi bật khi đó là T-222, từng được sản xuất hàng loạt. Tuy nhiên, ở mức 1.926 độ C, độ bền kéo của vật liệu này dưới 100 MPa, còn khá thấp nếu so với yêu cầu của các hệ thống chịu tải nặng.

Để vượt giới hạn này, nhóm Đại học Giao thông Tây An đưa ra quy trình mới gọi là "ôxy hóa tại chỗ có can thiệp bằng bo". Nhóm thêm một lượng rất nhỏ boride hafni vào tantali. Thành phần này bắt giữ ôxy để tạo các hạt ôxít hafni ổn định, đồng thời giải phóng nguyên tử bo lan tỏa trong nền tantali.

Điểm quan trọng là các nguyên tử bo sau đó bao bọc các hạt nano ôxít hafni như một lớp vỏ bảo vệ. Lớp vỏ này giúp các hạt gia cường không bị hòa tan khi nhiệt độ tăng rất cao. Nhờ vậy, cấu trúc bên trong hợp kim vẫn ổn định hơn, cho phép vật liệu tiếp tục chịu lực trong điều kiện mà nhiều hợp kim khác đã suy yếu.

Kết quả thử nghiệm cho thấy hợp kim mới có các đặc tính cơ học đáng chú ý. Ở nhiệt độ phòng, vật liệu đạt độ bền kéo trên 800 MPa và có thể giãn dài khoảng 35% trước khi đứt. Điều này cho thấy nó không chỉ cứng mà còn đủ dẻo để gia công, tạo hình, một yếu tố quan trọng nếu muốn đưa vật liệu từ phòng thí nghiệm sang ứng dụng kỹ thuật.

Ở 2.000 độ C, hợp kim vẫn giữ độ bền chảy kéo khoảng 200 MPa. Khi tăng lên 2.400 độ C, vật liệu vẫn duy trì khoảng 100 MPa, mức được nhóm nghiên cứu cho là vượt các hợp kim chịu lửa từng được biết đến. 

Theo ông Sun, so với hợp kim tantali truyền thống, vật liệu mới có độ bền chảy kéo ở 2.000 độ C cao gấp đôi. Nếu cùng chịu tải 100 MPa, ngưỡng nhiệt hoạt động của nó cao hơn các vật liệu tantali hiện có khoảng 500°C.

Ý nghĩa của phát hiện này nằm ở khả năng mở rộng "vùng làm việc" cho vật liệu chịu nhiệt. Nếu một chi tiết vẫn bền ở 2.400 độ C, kỹ sư có thể thiết kế các hệ thống vận hành nóng hơn, hiệu quả hơn hoặc chịu được điều kiện khắc nghiệt hơn trước đây.

Nhóm tác giả cũng cho biết quy trình dùng bo không chỉ áp dụng với hợp kim tantali cụ thể này. Họ đã thử nghiệm cách tiếp cận tương tự trên một số vật liệu khác, gồm các hợp kim nền tantali và hợp kim niobi - vonfram, cho thấy tiềm năng phát triển thế hệ vật liệu kết cấu siêu chịu nhiệt trong tương lai.

Dù vậy, vật liệu mới vẫn cần thêm nhiều bước kiểm chứng trước khi xuất hiện trong động cơ, tàu bay hay lò phản ứng. Các yêu cầu như sản xuất quy mô lớn, độ bền lâu dài, khả năng chống ôxy hóa, chi phí và an toàn vận hành đều phải được đánh giá kỹ.

Vu Lam

Theo SCMP