Các nhà nghiên cứu tại Đại học Giao thông Tây An, Trung Quốc, đã phát triển một hợp kim kim loại mới có khả năng duy trì độ bền ở nhiệt độ lên tới 2.400 độ C. Thành tựu này giải quyết bài toán khó trong khoa học vật liệu: tạo ra kim loại vừa chịu nhiệt cực cao vừa giữ được độ bền cơ học.
Thách thức từ nhiệt độ cực cao
Trong ngành hàng không vũ trụ và công nghệ quân sự, các bộ phận như buồng đốt động cơ, loa phụt tên lửa hay mép dẫn hướng khí động học thường xuyên phải chịu nhiệt độ trên 2.000°C. Ở mức này, hầu hết kim loại thông thường bị mềm hoặc nóng chảy. Siêu hợp kim gốc niken, dù là xương sống của động cơ phản lực, chỉ chịu được tới 1.200-1.500°C. Vượt quá giới hạn, cấu trúc vi mô bị phá hủy do khuếch tán nguyên tử.
Các kim loại khó nóng chảy như tantan có điểm nóng chảy tự nhiên gần 3.000°C, nhưng hợp kim tantan truyền thống mất độ bền nhanh chóng trên 1.800°C. Hợp kim T-222 do NASA phát triển từ lâu được coi là tiêu chuẩn vàng, 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 độ dẻo cần thiết cho gia công.
Phương pháp gia cường mới
Để vượt qua sự đánh đổi giữa độ bền và tính dẻo, nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm Quốc gia về Hành vi Cơ học của Vật liệu đã phát triển phương pháp gia cường phân tán oxit được hỗ trợ bởi nguyên tố Bo, tạo ra dòng hợp kim B-ODS Ta. Xuất phát từ nền hợp kim tantan Ta-12W-1Re, các nhà khoa học bổ sung một lượng nhỏ Hafni Borua. Trong quá trình chế tạo, phản ứng oxy hóa tại chỗ tạo ra các hạt nano Hafni Oxit kích thước khoảng 50 nanomet. Đồng thời, nguyên tử Bo di chuyển ra vùng ranh giới hạt, tạo lớp màng bảo vệ ngăn các hạt nano sáp nhập khi gặp nhiệt độ cao.
Nhờ cơ chế này, hợp kim B-ODS Ta giữ được mật độ hạt phân bố đồng đều, giúp duy trì khả năng chịu tải ngay cả khi nhiệt độ tiến sát ngưỡng nóng chảy.
Kết quả ấn tượng
Kết quả thử nghiệm cho thấy ở 2.000°C, B-ODS Ta đạt độ bền kéo khoảng 200 MPa, gấp đôi hợp kim T-222 của Mỹ. Ở nhiệt độ kỷ lục 2.400°C, hợp kim vẫn duy trì độ bền kéo 100 MPa – mức chưa từng có ở bất kỳ hợp kim kim loại nào trước đó. Ngoài khả năng chịu nhiệt, B-ODS Ta còn có độ bền kéo trên 800 MPa và độ giãn dài khi đứt khoảng 35% ở nhiệt độ phòng, cho phép dễ dàng gia công thành các chi tiết phức tạp.
Theo nghiên cứu được công bố, thành công này mở ra ứng dụng cho máy bay siêu thanh (vận tốc từ Mach 5), nơi hợp kim có thể làm lớp giáp chịu nhiệt cho mũi và mép cánh. Trong hàng không vũ trụ, vật liệu mới cho phép nâng nhiệt độ đốt trong buồng nhiên liệu tên lửa, tối ưu lực đẩy và giảm chi phí phóng.
