Láng giềng Việt Nam tạo đột phá với hợp kim chịu nhiệt tới 2.400°C, mở ra bước ngoặt cho ngành hàng không vũ trụ và hạt nhân

Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature vào tháng trước. Nhóm nghiên cứu do Giáo sư Sun Jun thuộc Đại học Giao thông Tây An dẫn đầu đã chế tạo loại hợp kim có thể chịu tải ở nhiệt độ lên tới 2.400°C, vượt xa giới hạn của hầu hết các vật liệu kim loại hiện nay.

Vượt qua giới hạn của các hợp kim truyền thống

Đối với đa số kim loại, khi nhiệt độ đạt khoảng 60% nhiệt độ nóng chảy, cấu trúc bên trong bắt đầu mất ổn định khiến độ bền giảm mạnh. Đây là lý do các siêu hợp kim đơn tinh thể nền nickel đang được sử dụng trong động cơ máy bay cũng không thể hoạt động ổn định ở mức trên 2.000°C.

Nhóm nghiên cứu lựa chọn tantalum, kim loại có nhiệt độ nóng chảy gần 3.000°C và là một trong số rất ít vật liệu có thể chịu tải trong môi trường trên 2.000°C.

Thông thường, hợp kim tantalum được gia cường bằng kỹ thuật phân tán các hạt oxit siêu nhỏ vào bên trong kim loại để tạo "khung xương" tăng độ cứng. Tuy nhiên, khi nhiệt độ vượt 2.000°C, các hạt oxit này bắt đầu tan rã khiến vật liệu trở nên giòn và dễ hỏng.

Từ những năm 1960, NASA từng chuyển sang sử dụng hợp kim carbide có nhiệt độ nóng chảy cao hơn. Dù vậy, hợp kim T,222 do cơ quan này phát triển chỉ đạt cường độ kéo dưới 100 MPa ở 1.926°C, tương đương khả năng chịu lực của một thanh gỗ tiết diện 1 cm² chỉ chịu được tải trọng khoảng 1 tấn, thấp hơn nhiều so với thép kết cấu thông thường ở nhiệt độ phòng.

Công nghệ mới giúp hợp kim bền hơn ở nhiệt độ cực cao

Để khắc phục điểm yếu trên, nhóm nghiên cứu Trung Quốc phát triển quy trình mới mang tên "oxy hóa tại chỗ có sự can thiệp của boron".

Theo đó, các nhà khoa học bổ sung một lượng rất nhỏ hafni boride vào hợp kim tantalum. Vật liệu này hấp thụ oxy để tạo thành các hạt hafni oxit ổn định, đồng thời giải phóng các nguyên tử boron.

Các nguyên tử boron sau đó bao phủ bề mặt các hạt nano hafni oxit, tạo thành lớp bảo vệ ngăn chúng bị hòa tan ở nhiệt độ cực cao. Nhờ đó, cấu trúc của hợp kim vẫn được duy trì ngay cả trong điều kiện khắc nghiệt.

Lập kỷ lục về khả năng chịu nhiệt

Theo kết quả thử nghiệm, hợp kim mới đạt cường độ kéo trên 800 MPa ở nhiệt độ phòng và có thể giãn dài khoảng 35%, giúp vật liệu vừa bền vừa dễ gia công.

Ngay cả ở 2.000°C và 2.400°C, hợp kim vẫn duy trì cường độ chảy lần lượt khoảng 200 MPa và 100 MPa, vượt trội so với mọi hợp kim chịu nhiệt hiện có.

Giáo sư Sun Jun cho biết hợp kim mới có cường độ chịu kéo ở 2.000°C cao gấp đôi các hợp kim tantalum truyền thống. Ngoài ra, với cùng mức tải trọng 100 MPa, giới hạn nhiệt độ làm việc của vật liệu cũng cao hơn khoảng 500°C so với các hợp kim tantalum hiện nay.

Theo nhóm nghiên cứu, khả năng chịu nhiệt và độ dẻo vượt trội của vật liệu mới có thể mở ra nhiều ứng dụng trong môi trường cực hạn như động cơ hàng không vũ trụ, phương tiện siêu vượt âm, lò phản ứng hạt nhân và nhiều hệ thống công nghiệp nhiệt độ cao.

Các nhà khoa học cũng cho biết quy trình xử lý bằng boron không chỉ áp dụng với hợp kim tantalum mà còn cho thấy hiệu quả trên nhiều vật liệu khác như hợp kim tantalum thế hệ mới và hợp kim niobium, tungsten. Điều này mở ra triển vọng phát triển thế hệ vật liệu kết cấu siêu chịu nhiệt cho nhiều ngành công nghệ tiên tiến trong tương lai.