Một nhóm nghiên cứu từ Đại học Giao thông Tây An, do Giáo sư Sun Jun dẫn đầu, vừa công bố trên tạp chí Nature về một loại hợp kim mới có khả năng duy trì độ bền ở nhiệt độ lên tới 2.400 độ C, với độ bền kéo vượt 800 MPa ở nhiệt độ phòng. Phát minh này được xem là bước đột phá cho vật liệu trong các lĩnh vực hàng không vũ trụ, phương tiện siêu thanh và lò phản ứng hạt nhân.
Nền tảng từ tantali và thách thức nhiệt độ cao
Hợp kim mới dựa trên tantali, một kim loại có độ cứng cao, độ dẻo tốt và điểm nóng chảy gần 3.000 độ C. Đây là một trong số ít kim loại có thể chịu tải trong môi trường trên 2.000 độ C, trong khi hầu hết kim loại thông thường mất độ bền ở ngưỡng này. Tuy nhiên, các hợp kim tantali truyền thống gặp hạn chế về độ bền và độ giòn khi làm việc lâu dài ở nhiệt độ cực lớn.
Trong các ứng dụng cực hạn, vật liệu không chỉ cần không bị chảy mà còn phải chịu được tải trọng lớn. Đây là bài toán khó đối với động cơ hàng không, thiết bị bay siêu thanh, lò phản ứng hạt nhân và các hệ thống hoạt động trong môi trường nhiệt độ rất cao. Nhiều kim loại khi đạt khoảng 60% điểm nóng chảy sẽ thay đổi cấu trúc bên trong, mềm đi hoặc mất khả năng chịu lực. Ngay cả siêu hợp kim đơn tinh thể nền niken, vốn được dùng phổ biến trong động cơ máy bay, cũng khó vượt ngưỡng 2.000 độ C.
Giải pháp ôxy hóa tại chỗ có can thiệp bằng bo
Để vượt giới hạn này, nhóm nghiên cứu đã đưa ra quy trình mới gọi là "ôxy hóa tại chỗ có can thiệp bằng bo". Họ 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 bao bọc các hạt nano ôxít hafni như một lớp vỏ bảo vệ, giúp các hạt gia cường không bị hòa tan khi nhiệt độ tăng rất cao. Nhờ đó, cấu trúc bên trong hợp kim ổn định hơn, cho phép vật liệu tiếp tục chịu lực trong điều kiện mà nhiều hợp kim khác suy yếu.
Trước đây, NASA từng nghiên cứu hướng dùng cacbua vào thập niên 1960, với hợp kim T-222. Tuy nhiên, ở mức 1.926 độ C, độ bền kéo của T-222 dưới 100 MPa, còn thấp so với yêu cầu chịu tải nặng. Trong khi đó, hợp kim mới của Trung Quốc cho thấy kết quả vượt trội.
Kết quả thử nghiệm ấn tượng
Ở nhiệt độ phòng, hợp kim mới 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. 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 duy trì khoảng 100 MPa, mức được nhóm nghiên cứu cho là vượt các hợp kim chịu lửa từng được biết đến.
Theo Giáo sư Sun Jun, 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 độ C.
Tiềm năng và triển vọng
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. Nhóm tác giả 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 hợp kim nền tantali và hợp kim niobi - vonfram, cho thấy tiềm năng phát triển thế hệ vật liệu kết cấu siêu chịu nhiệt.
Dù vậy, vật liệu mới 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 lưỡng.
