Các nhà khoa học Trung Quốc phát triển hợp kim chịu nhiệt tới 2.400 độ C

Trong các ứng dụng như hàng không vũ trụ, xe cận âm và nhà máy điện hạt nhân, vật liệu phải chịu được nhiệt độ cực cao cùng với áp lực lớn. Tuy nhiên, hầu hết kim loại truyền thống đều suy yếu hoặc tan chảy khi nhiệt độ vượt quá 2.000 độ C (3.632 độ F). Điều này làm hạn chế đáng kể hiệu suất và độ bền của các thiết bị dùng trong môi trường khắc nghiệt.

Thông thường, cấu trúc bên trong của kim loại sẽ thay đổi mạnh khi nhiệt độ đạt khoảng 60% điểm nóng chảy của chúng, dẫn đến sự giảm đáng kể độ bền. Ví dụ, loại hợp kim siêu động cơ máy bay dựa trên nền niken phổ biến không vượt qua được ngưỡng 2.000 độ C.

Một nhóm nghiên cứu do Sun Jun tại Đại học Xian Jiaotong đứng đầu mới đây công bố một hợp kim dựa trên kim loại tantalum, vốn có điểm nóng chảy gần 3.000 độ C, giúp duy trì khả năng chịu tải vượt trội ở nhiệt độ lên tới 2.400 độ C. Tantalum và các hợp kim của nó từ lâu đã được biết đến với sự chịu nhiệt cao, nhưng vẫn gặp vấn đề về độ giòn khi nhiệt độ vượt 2.000 độ C do các hạt oxit bên trong hợp kim hòa tan và mất tác dụng gia cường.

Trước đây, NASA đã dùng vật liệu cacbua với khả năng chịu nhiệt cao hơn, như hợp kim T-222, nhưng độ bền khi nhiệt kế trên gần 2.000 độ C chỉ đạt dưới 100 MPa, tương đương sức chịu tải của một thanh gỗ mỏng – không đủ cho các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi khắt khe.

Để nâng cao tính năng của hợp kim tantalum, nhóm nghiên cứu đã sáng tạo một quy trình có tên gọi "oxy hóa in situ can thiệp bo". Bằng cách thêm hàm lượng nhỏ hafnium boride vào tantalum, các phân tử oxy được thu hút tạo thành các hạt oxit hafnium ổn định, trong khi các nguyên tử boron bao phủ các hạt này tạo thành lớp vỏ bảo vệ, ngăn chặn sự hòa tan ở nhiệt độ cao.

Điều này giúp hợp kim giữ được độ bền kéo trên 800 MPa ở nhiệt độ phòng cùng khả năng giãn kéo tới 35%, dễ dàng tạo hình và gia công. Khi thử nghiệm ở nhiệt độ 2.000 và 2.400 độ C, hợp kim vẫn duy trì được độ bền kéo lần lượt là 200 MPa và 100 MPa, vượt trội so với mọi hợp kim được biết đến hiện nay.

Sun Jun cho biết, so với các hợp kim tantalum truyền thống, vật liệu mới này có độ bền kéo ở 2.000 độ C cao gấp đôi và giữ được khả năng chịu nhiệt tăng khoảng 500 độ C. Điều này mở rộng khả năng ứng dụng trong các môi trường khắc nghiệt, như động cơ phản lực, tàu siêu thanh hay các nhà máy điện hạt nhân.

Ngoài ra, phương pháp can thiệp boron được phát triển trong nghiên cứu này cũng có thể áp dụng trên các kim loại khác như hợp kim dựa trên tantalum và niobium-tungsten, giúp tạo ra thế hệ vật liệu kết cấu có khả năng chịu nhiệt rất cao trong tương lai.