Trong một bước đột phá có thể định hình lại ngành hàng không vũ trụ, các nhà nghiên cứu tại Đại học Giao thông Tây An (Trung Quốc) đã phát triển thành công hợp kim kim loại mới mang tên B-ODS Ta, có khả năng duy trì độ bền ở nhiệt độ lên tới 2.400°C. Thành tựu này vượt qua giới hạn của các siêu hợp kim hiện có, bao gồm cả dòng T-222 của NASA – vốn được coi là tiêu chuẩn vàng trong ngành.
Bức tường nhiệt độ và giới hạn của kim loại truyền thống
Trong các ứng dụng như động cơ tên lửa, máy bay siêu thanh hay tàu vũ trụ tái sử dụng, nhiệt độ tại buồng đốt và mép dẫn hướng khí động học thường vượt quá 2.000°C. Ở mức nhiệt này, phần lớn kim loại thông thường bị mềm hoặc nóng chảy. Các siêu hợp kim gốc niken chỉ chịu được tới 1.200-1.500°C, trong khi tantan – kim loại khó nóng chảy với điểm nóng chảy gần 3.000°C – lại mất độ bền cơ học nhanh chóng trên 1.800°C.
Trước đây, hợp kim T-222 do NASA phát triển đạt độ bền kéo khoảng 100 MPa ở 1.926°C. Tuy nhiên, việc nâng giới hạn nhiệt của T-222 gần như bất khả thi vì sẽ làm mất tính dẻo cần thiết để gia công.
Giải pháp đột phá từ công nghệ oxit phân tán
Nhóm nghiên cứu thuộc Phòng thí nghiệm Trọng điểm Quốc gia về Hành vi Cơ học của Vật liệu đã áp dụng phương pháp gia cường phân tán oxit hỗ trợ bởi nguyên tố Bo, tạo ra hợp kim B-ODS Ta. Bắt đầu từ nền hợp kim tantan Ta-12W-1Re, họ bổ sung Hafni Borua với tỷ lệ nhỏ. Trong quá trình chế tạo, phản ứng oxy hóa tại chỗ tạo ra các hạt nano Hafni Oxit kích thước chỉ 50 nanomet, đồng thời các nguyên tử Bo tự do di chuyển ra ranh giới hạt tinh thể, hình thành lớp màng bảo vệ ngăn các hạt nano kết tụ ở nhiệt độ cao.
Cơ chế khóa cấu trúc vi mô này giúp hợp kim giữ nguyên mật độ hạt ghim, duy trì khả năng chịu tải ngay cả khi nhiệt độ tiến sát ngưỡng nóng chảy.
Những con số phá kỷ lục
Kết quả thử nghiệm cho thấy ở 2.000°C, B-ODS Ta đạt độ bền kéo khoảng 200 MPa – gấp đôi T-222 của Mỹ. Ngay cả ở 2.400°C, hợp kim vẫn duy trì độ bền 100 MPa, mức chưa từng có ở bất kỳ hợp kim kim loại nào trước đây. Đáng ngạc nhiên hơn, ở nhiệt độ phòng, vật liệu đạt độ bền kéo trên 800 MPa với độ giãn dài khi đứt 35%, cho phép dễ dàng gia công thành các chi tiết phức tạp.
Triển vọng ứng dụng rộng lớn
B-ODS Ta mở ra cánh cửa cho các công nghệ mũi nhọn: máy bay siêu thanh (tốc độ trên Mach 5) có thể sử dụng vật liệu này làm lớp giáp nhiệt cho mũi và cánh; động cơ tên lửa có thể tăng nhiệt độ đốt để tối ưu lực đẩy, giảm chi phí phóng. Theo nhóm nghiên cứu, thành công này giải quyết bài toán đánh đổi kéo dài hàng thập kỷ giữa độ bền cực hạn và tính dẻo, đưa Trung Quốc đi trước một bước trong cuộc đua vật liệu hàng không vũ trụ.
