Đại học Nagoya phát triển hợp kim nhôm chịu nhiệt cao, có khả năng tái chế cho in 3D kim loại
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Nagoya (Nhật Bản) vừa công bố một loạt hợp kim nhôm mới có độ bền và khả năng chịu nhiệt cao, được tối ưu hóa cho công nghệ in 3D kim loại, hướng tới các ứng dụng trong ngành ô tô và hàng không vũ trụ.
Nhôm vốn được ưa chuộng nhờ trọng lượng nhẹ và độ bền cao, tuy nhiên vật liệu này thường suy giảm cơ tính khi làm việc ở nhiệt độ cao, khiến việc ứng dụng trong động cơ, tua-bin và các bộ phận chịu nhiệt bị hạn chế. Nhóm nghiên cứu của Đại học Nagoya đã khắc phục nhược điểm này bằng cách phát triển các hợp kim mới sử dụng những nguyên tố phổ biến, chi phí thấp, đồng thời thân thiện với tái chế. Đáng chú ý, một biến thể hợp kim vẫn duy trì được độ bền và độ dẻo ở nhiệt độ lên tới 300°C.
Theo Giáo sư Naoki Takata, Trường Sau đại học Kỹ thuật – Đại học Nagoya, điểm đột phá của nghiên cứu nằm ở việc đưa sắt vào thành phần hợp kim nhôm. Đây là nguyên tố vốn ít được sử dụng trong nhôm do thường gây giòn và dễ ăn mòn. Tuy nhiên, nhờ kiểm soát cấu trúc vi mô bằng in 3D kim loại, nhóm nghiên cứu đã biến sắt trở thành yếu tố gia cường hiệu quả.
Nhóm đã áp dụng công nghệ laser powder bed fusion, trong đó kim loại nóng chảy và đông đặc chỉ trong vài giây. Quá trình làm nguội cực nhanh này cho phép “bẫy” sắt và các nguyên tố khác trong các pha siêu bền (metastable phases) – những cấu trúc không thể hình thành bằng phương pháp luyện kim truyền thống. Bằng cách lựa chọn có hệ thống các nguyên tố bổ sung, nhóm đã tạo ra các hợp kim vừa chịu nhiệt, vừa có cường độ cao.
Hợp kim nổi bật nhất là Al–Fe–Mn–Ti (nhôm – sắt – mangan – titan), thể hiện độ bền cao ở nhiệt độ cao và vẫn giữ được độ dẻo ở nhiệt độ phòng, vượt trội so với nhiều vật liệu nhôm in 3D hiện nay. Đồng thời, hợp kim này cũng dễ in hơn, ít xảy ra hiện tượng nứt hoặc cong vênh – vấn đề phổ biến với các hợp kim nhôm cường độ cao.
Theo nhóm nghiên cứu, phương pháp thiết kế vật liệu dựa trên các nguyên lý khoa học về hành vi nguyên tố trong quá trình đông đặc nhanh không chỉ áp dụng cho nhôm mà còn có thể mở rộng sang các kim loại khác. Điều này mở ra hướng tiếp cận mới cho việc thiết kế vật liệu chuyên biệt cho sản xuất bồi đắp.
Về ứng dụng, các hợp kim mới có tiềm năng lớn trong việc chế tạo linh kiện nhôm nhẹ, chịu nhiệt cho ô tô và hàng không, như cánh nén, rô-to máy nén và bộ phận tua-bin. Việc giảm khối lượng giúp phương tiện tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải, trong khi ngành hàng không đòi hỏi vật liệu vừa nhẹ vừa chịu được điều kiện nhiệt khắc nghiệt.
Nghiên cứu này cũng phản ánh xu hướng chung trong in 3D kim loại bằng nhôm, nhằm nâng cao tính năng vật liệu cho các ngành công nghiệp then chốt. Cùng với các nỗ lực nghiên cứu khác trên thế giới, thành tựu của Đại học Nagoya được kỳ vọng sẽ thúc đẩy nhanh quá trình ứng dụng vật liệu nhôm in 3D thế hệ mới trong sản xuất công nghiệp quy mô lớn.
