Các nhà khoa học Trung Quốc tạo ra hợp kim chịu được nhiệt độ 2.400 độ C như thế nào?

Khả năng chịu nhiệt và tính linh hoạt độc đáo của hợp kim tantali mở ra những khả năng kỹ thuật mới trong môi trường khắc nghiệt. Ảnh: Getty.

Một nhóm nhà khoa học Trung Quốc vừa phát triển thành công một loại hợp kim gốc tantalum (tantali) có khả năng duy trì độ bền cơ học ở nhiệt độ lên tới 2.400 độ C, vượt xa giới hạn của hầu hết các kim loại hiện nay. Thành tựu được đánh giá có thể mở ra nhiều ứng dụng trong hàng không vũ trụ, phương tiện siêu vượt âm và lò phản ứng hạt nhân, nơi vật liệu phải chịu đồng thời nhiệt độ cực cao và tải trọng lớn.

Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature vào tháng trước.

Hầu hết kim loại đều "gục ngã" trên ngưỡng 2.000 độ C

Trong các lĩnh vực như động cơ tên lửa, tàu vũ trụ hay vũ khí siêu vượt âm, vật liệu không chỉ phải chịu nhiệt độ hàng nghìn độ C mà còn phải duy trì khả năng chịu lực trong thời gian dài.

Tuy nhiên, phần lớn kim loại sẽ bắt đầu mất độ bền khi nhiệt độ đạt khoảng 60% điểm nóng chảy. Khi đó, cấu trúc bên trong thay đổi nhanh chóng khiến vật liệu mềm đi hoặc biến dạng.

Ngay cả các siêu hợp kim đơn tinh thể nền niken đang được sử dụng rộng rãi trong động cơ máy bay hiện đại cũng gần như không thể hoạt động ổn định khi vượt quá 2.000 độ C.

Nhóm nghiên cứu do Giáo sư Sun Jun tại Đại học Giao thông Tây An (Xi'an Jiaotong University) dẫn đầu đã lựa chọn tantalum – kim loại có điểm nóng chảy gần 3.000 độ C – làm nền tảng để phát triển vật liệu mới.

Tantalum vốn là một trong số rất ít kim loại vẫn có thể chịu tải ở nhiệt độ trên 2.000 độ C, nhưng các hợp kim tantalum truyền thống vẫn tồn tại nhiều hạn chế.

Bí quyết nằm ở lớp "áo giáp" nguyên tử

Thông thường, hợp kim tantalum được gia cường bằng phương pháp phân tán các hạt oxide siêu nhỏ trong kim loại để tạo thành một bộ khung giúp tăng độ bền.

Tuy nhiên, khi nhiệt độ vượt 2.000 độ C, các hạt oxide này bắt đầu hòa tan khiến vật liệu trở nên giòn và nhanh chóng mất khả năng chịu lực.

Ngay từ thập niên 1960, NASA từng thử thay thế oxide bằng carbide có điểm nóng chảy cao hơn và phát triển hợp kim T-222. Dù từng được sản xuất hàng loạt, hợp kim này vẫn có cường độ chịu kéo khá thấp ở nhiệt độ cực cao.

Để khắc phục vấn đề, nhóm nghiên cứu Trung Quốc phát triển quy trình hoàn toàn mới mang tên "oxy hóa tại chỗ có can thiệp của bo" (boron-intervened in situ oxidation).

Các nhà khoa học bổ sung một lượng rất nhỏ hafnium boride vào hợp kim tantalum. Chất này phản ứng với oxy để tạo thành các hạt hafnium oxide cực kỳ ổn định, đồng thời giải phóng các nguyên tử bo.

Điểm đặc biệt là các nguyên tử bo sẽ bao bọc bên ngoài các hạt oxide như một lớp vỏ bảo vệ, ngăn chúng bị hòa tan ngay cả khi nhiệt độ tăng lên hàng nghìn độ C.

Duy trì độ bền ở 2.400 độ C

Kết quả thử nghiệm cho thấy hợp kim mới đạt các thông số rất ấn tượng.

Ở nhiệt độ phòng, vật liệu có độ bền kéo vượt 800 MPa và vẫn có thể kéo giãn khoảng 35%, giúp dễ gia công hơn so với nhiều vật liệu siêu chịu nhiệt khác.

Quan trọng hơn, khi được nung đến 2.000 độ C, hợp kim vẫn duy trì cường độ chảy khoảng 200 MPa. Đến 2.400 độ C, vật liệu vẫn đạt khoảng 100 MPa.

Theo nhóm nghiên cứu, đây hiện là mức chịu tải cao nhất từng được ghi nhận đối với các hợp kim cùng nhóm.

Giáo sư Sun Jun cho biết hợp kim mới có khả năng chịu lực cao gấp đôi các hợp kim tantalum truyền thống ở 2.000 độ C.

Ông nói với hãng thông tấn Tân Hoa Xã: "Hợp kim tantalum mới đạt cường độ chảy khi chịu kéo gấp đôi so với các hợp kim tantalum thông thường ở 2.000 độ C. Hơn nữa, khi cùng chịu tải 100 MPa, giới hạn nhiệt độ làm việc của nó cao hơn khoảng 500 độ C so với các vật liệu tantalum hiện có."

Tiềm năng cho thế hệ vật liệu siêu chịu nhiệt mới

Theo các tác giả, sự kết hợp giữa khả năng chịu nhiệt cực cao và độ dẻo tốt giúp hợp kim mới mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong các môi trường khắc nghiệt như: Động cơ hàng không và tên lửa, phương tiện siêu vượt âm, lò phản ứng hạt nhân thế hệ mới và các hệ thống chịu nhiệt trong không gian.

Nhóm nghiên cứu cũng phát hiện quy trình sử dụng bo này không chỉ áp dụng cho hợp kim tantalum mà còn hoạt động hiệu quả trên nhiều vật liệu khác, bao gồm hợp kim niobium–vonfram và nhiều hợp kim nền tantalum khác.

Điều này cho thấy phương pháp mới có thể trở thành nền tảng để phát triển thế hệ vật liệu kết cấu siêu chịu nhiệt trong tương lai, phục vụ các ngành công nghiệp đòi hỏi khả năng hoạt động ở nhiệt độ mà trước đây hầu như chưa vật liệu kim loại nào đáp ứng được.