Nghiên cứu Ohio State: khuyết tật tinh thể thiết kế giúp tăng độ bền hai hợp kim mà không thay đổi thành phần hóa học

Một nhóm do các nhà nghiên cứu tại The Ohio State University dẫn đầu báo cáo rằng các khuyết tật tinh thể được tạo ra có chủ đích, sắp xếp thành mạng lưới dày đặc có trật tự, đã giúp hai hợp kim trở nên bền hơn mà không thay đổi thành phần hóa học. Nghiên cứu được bình duyệt này đã được công bố trên tạp chí Science trong tuần này, theo thông cáo của trường đại học. Các đồng tác giả đến từ University of Erlangen-Nuremberg ở Đức và Lawrence Livermore National Laboratory ở California.

Phương pháp gồm hai bước. Các nhà nghiên cứu trước tiên biến dạng tinh thể của hai vật liệu gốc cobalt, một siêu hợp kim chứa nickel và một hợp kim chromium-tungsten, rồi ủ vật liệu chậm bằng nhiệt. Thông cáo cho biết quá trình này tạo ra các cấu trúc dày đặc mỏng cỡ nguyên tử bên trong vật liệu. Tiêu đề bài báo, theo trích dẫn của TechXplore, mô tả chúng là các pha khuyết tật hai chiều có trật tự. Sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua kết hợp mô phỏng máy tính, nhóm nghiên cứu đã liên kết sự gia tăng độ bền với cách các nguyên tử sắp xếp quanh các khuyết tật, và thông cáo cho biết việc thay đổi cách sắp xếp đó có thể ảnh hưởng đến độ bền vật liệu.

Theo thông cáo, quá trình này đã nâng đáng kể cả ứng suất mà kim loại có thể chịu được lẫn khả năng chống biến dạng chậm, hay rão, ở nhiệt độ cao. Tác giả chính Andreas Bezold, phó giáo sư thỉnh giảng ngành khoa học và kỹ thuật vật liệu tại Ohio State, cho biết kết quả cho thấy một lớp khuyết tật được thiết kế có thể bổ sung cho thiết kế vật liệu truyền thống. «Chúng tôi muốn biến các cấu trúc tăng cường này thành một phần có chủ đích trong thiết kế vật liệu,» ông nói. Công trình được xây dựng trên nghiên cứu trước đó của Ohio State cho thấy các khuyết tật hình thành trong quá trình biến dạng có thể trở thành lớp tăng cường; thông cáo mô tả cách tiếp cận mới là phương pháp đầu tiên đưa vào mật độ khuyết tật đủ để làm giàu hoàn toàn các hợp kim này.

Đồng tác giả Michael Mills, giáo sư ngành khoa học và kỹ thuật vật liệu tại Ohio State, cho biết mặc dù khuyết tật thường gắn liền với hư hỏng, «các khuyết tật phù hợp với cấu trúc và thành phần hóa học phù hợp thực sự có thể làm vật liệu bền hơn». Thông cáo gợi ý rằng cách tiếp cận này cuối cùng có thể được dùng để sản xuất hợp kim độ bền cao cho thiết bị chịu nhiệt độ cao, nêu tên động cơ turbine máy bay và máy móc nhà máy điện làm ví dụ, nhưng đặt đây là khả năng trong tương lai. Hiện tại, thông cáo cho biết, đóng góp của nhóm là mở rộng các nguyên lý thiết kế trong kỹ thuật.

Các kết quả đến từ một nghiên cứu bình duyệt duy nhất trên hai hợp kim cụ thể. Thông cáo không báo cáo thử nghiệm công nghiệp, kiểm tra linh kiện hay số liệu độ bền định lượng, và không đưa ra lộ trình cho việc ứng dụng thực tế. Kinh phí đến từ U.S. Department of Energy và National Science Foundation, với sự hỗ trợ thêm từ Alexander von Humboldt Foundation và Center for Electron Microscopy and Analysis của Ohio State.