Hợp kim mới chịu được điều kiện khắc nghiệt, có thể thay thế kim loại được sử dụng trong động cơ máy bay và tua bin khí
Bài viết của Isabelle Hartmann, Viện Công nghệ Karlsruhe
Sản xuất hợp kim bằng phương pháp nung chảy hồ quang tại phòng thí nghiệm tổng hợp vật liệu của Viện Vật liệu Ứng dụng – Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu. Nguồn: Chiara Bellamoli, KIT
Một vật liệu mới có thể góp phần giảm lượng nhiên liệu hóa thạch tiêu thụ của động cơ máy bay và tua bin khí trong tương lai. Một nhóm nghiên cứu từ Viện Công nghệ Karlsruhe (KIT) đã phát triển một hợp kim gốc kim loại chịu lửa với các đặc tính chưa từng có từ trước đến nay.
Sự kết hợp mới lạ giữa crom, molypden và silic có tính dẻo ở nhiệt độ phòng. Với nhiệt độ nóng chảy khoảng 2.000°C, nó vẫn ổn định ngay cả ở nhiệt độ cao và đồng thời có khả năng chống oxy hóa. Những kết quả này đã được công bố trên tạp chí Nature.
Vật liệu kim loại chịu nhiệt độ cao là cần thiết cho động cơ máy bay, tua-bin khí, thiết bị tia X và nhiều ứng dụng kỹ thuật khác. Các kim loại chịu nhiệt như vonfram, molypden và crom, có điểm nóng chảy khoảng hoặc cao hơn 2.000°C, có thể chịu được nhiệt độ cao nhất.
Tuy nhiên, ứng dụng thực tế của chúng có những hạn chế: Chúng giòn ở nhiệt độ phòng và khi tiếp xúc với oxy, chúng bắt đầu bị oxy hóa, gây hỏng hóc trong thời gian ngắn ngay cả ở nhiệt độ từ 600°C đến 700°C. Do đó, chúng chỉ có thể được sử dụng trong điều kiện chân không phức tạp về mặt kỹ thuật—ví dụ, làm anode quay tia X.
Do những thách thức này, siêu hợp kim gốc niken đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ trong các bộ phận tiếp xúc với không khí hoặc khí cháy ở nhiệt độ cao. Ví dụ, chúng được sử dụng làm vật liệu tiêu chuẩn cho tua-bin khí.
"Các siêu hợp kim hiện có được tạo thành từ nhiều nguyên tố kim loại khác nhau, bao gồm cả những nguyên tố hiếm có, do đó chúng kết hợp nhiều đặc tính. Chúng dẻo ở nhiệt độ phòng, ổn định ở nhiệt độ cao và chống oxy hóa", Giáo sư Martin Heilmaier từ Viện Vật liệu Ứng dụng – Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu của KIT giải thích.
"Tuy nhiên, và có một vấn đề cần lưu ý, nhiệt độ vận hành, tức là nhiệt độ mà chúng có thể được sử dụng an toàn, nằm trong phạm vi tối đa lên đến 1.100°C. Mức nhiệt độ này quá thấp để khai thác hết tiềm năng tăng hiệu suất trong các tuabin hoặc các ứng dụng nhiệt độ cao khác. Thực tế là hiệu suất trong các quá trình đốt cháy tăng theo nhiệt độ."
Hình ảnh hiển vi của các vảy oxit từ Cr-36.1Mo-3Si sau 100 giờ oxy hóa tuần hoàn. Nguồn: Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09516-8
Cơ hội cho một bước nhảy vọt về công nghệ
Hạn chế này tồn tại trong các vật liệu hiện có chính là điểm khởi đầu cho nhóm nghiên cứu của Heilmaier. Trong nhóm đào tạo nghiên cứu "Vật liệu, Hợp chất từ Vật liệu Composite cho Ứng dụng trong Điều kiện Khắc nghiệt" (MatCom-ComMat), các nhà nghiên cứu đã thành công trong việc phát triển một hợp kim mới làm từ crom, molypden và silic.
Hợp kim gốc kim loại chịu lửa này, với vai trò quan trọng trong khám phá của Tiến sĩ Alexander Kauffmann, hiện là giáo sư tại Đại học Ruhr Bochum, có những đặc tính chưa từng có từ trước đến nay. "Nó dẻo ở nhiệt độ phòng, điểm nóng chảy lên tới khoảng 2.000°C, và—không giống như các hợp kim chịu lửa đã biết cho đến nay—nó chỉ bị oxy hóa chậm, ngay cả trong phạm vi nhiệt độ tới hạn.
"Điều này nuôi dưỡng tầm nhìn về khả năng chế tạo các linh kiện phù hợp với nhiệt độ vận hành cao hơn đáng kể so với 1.100°C. Do đó, kết quả nghiên cứu của chúng tôi có tiềm năng tạo ra một bước nhảy vọt thực sự về mặt công nghệ", Kauffmann nói.
Điều này đặc biệt đáng chú ý vì khả năng chống oxy hóa và độ dẻo dai vẫn chưa thể được dự đoán đầy đủ để cho phép thiết kế vật liệu theo mục tiêu - bất chấp những tiến bộ to lớn đã đạt được trong việc phát triển vật liệu hỗ trợ máy tính.
Hiệu suất cao hơn, tiêu thụ ít hơn
"Trong một tuabin, ngay cả khi nhiệt độ tăng chỉ 100°C cũng có thể giảm mức tiêu thụ nhiên liệu khoảng 5%", Heilmaier giải thích. Điều này đặc biệt liên quan đến ngành hàng không, vì máy bay chạy bằng điện sẽ khó có thể phù hợp cho các chuyến bay đường dài trong những thập kỷ tới. Do đó, việc giảm đáng kể mức tiêu thụ nhiên liệu sẽ là một vấn đề sống còn. Các tuabin khí cố định trong các nhà máy điện cũng có thể được vận hành với lượng khí thải CO₂ thấp hơn nhờ vật liệu bền hơn.
"Để có thể sử dụng hợp kim này ở cấp độ công nghiệp, cần phải thực hiện nhiều bước phát triển khác", Heilmaier nói. "Tuy nhiên, với khám phá của chúng tôi trong nghiên cứu cơ bản, chúng tôi đã đạt được một cột mốc quan trọng. Các nhóm nghiên cứu trên toàn thế giới giờ đây có thể tiếp nối thành tựu này."
Thông tin thêm: Frauke Hinrichs và cộng sự, Hợp kim crom-molypden dẻo chịu được quá trình oxy hóa ở nhiệt độ cao, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09516-8
Thông tin tạp chí: Nature
