Các nhà nghiên cứu từ Đại học Nam Hoa (Trung Quốc) và Đại học Purdue (Mỹ) đã sử dụng trí tuệ nhân tạo (AI) để tạo ra một loại thép mới có độ bền cao, dẻo và có thể in 3D.
Loại kim loại này còn có khả năng chống gỉ, chi phí sản xuất thấp và thời gian chế tạo nhanh hơn đáng kể. Đây là bước tiến lớn, bởi trong luyện kim, việc tạo ra thép mạnh thường đi kèm với sự đánh đổi.
Thông thường, thép càng bền thì càng giòn, dễ gãy. Ngược lại, khi thép được thiết kế để dẻo hơn, nó lại mất đi độ cứng. Tuy nhiên, loại thép mới này đã kết hợp được cả hai yếu tố — điều hiếm thấy trong khoa học vật liệu — nhờ vào việc ứng dụng AI.
Theo nhóm nghiên cứu, họ đã “huấn luyện” AI bằng cách cung cấp dữ liệu gồm 81 đặc tính vật lý của kim loại, bao gồm kích thước nguyên tử, hành vi điện tử, tốc độ truyền âm trong vật liệu và nhiều yếu tố khác.
AI thiết kế thép mạnh hơn
Từ khối dữ liệu này, AI được giao nhiệm vụ tìm ra các mô hình giúp tạo ra thép vừa bền vừa dẻo. Sau quá trình phân tích, AI đã thiết kế một hợp kim mới dựa trên sắt và crom, kết hợp với lượng nhỏ các kim loại như niken, mangan, đồng, silic, nhôm và carbon.
Điểm đáng chú ý là tất cả các nguyên liệu này đều phổ biến, không hiếm và có chi phí tương đối thấp.
Sau đó, nhóm nghiên cứu sử dụng công nghệ in 3D kim loại bằng laser — gọi là Laser Directed Energy Deposition (LDED) — để chế tạo các chi tiết từ hợp kim này. Quá trình này sử dụng laser để nung chảy bột kim loại và tạo hình từng lớp, vốn được ứng dụng rộng rãi trong hàng không, quân sự và kỹ thuật nặng.
Sau khi in, các chi tiết chỉ cần khoảng 6 giờ xử lý nhiệt để hoàn thiện — một con số rất thấp so với các loại thép hiệu suất cao thông thường, vốn cần nhiều chu kỳ xử lý kéo dài nhiều ngày, tiêu tốn nhiều năng lượng và chi phí.
Bí mật nằm ở cấu trúc nano
Theo nhóm nghiên cứu, độ bền và độ dẻo của hợp kim đến từ các hạt nano mỏng bên trong cấu trúc. Những hạt này giúp ngăn chặn vết nứt lan rộng khi vật liệu chịu lực.
Ngoài ra, hợp kim còn có các “vùng giảm chấn” hoạt động như bộ giảm xóc, hấp thụ lực và biến dạng thay vì khiến vật liệu bị gãy.
Khả năng chống gỉ của thép mới cũng rất đáng chú ý. Trong các loại thép thông thường, crom thường bị “khóa” trong các hợp chất carbide theo thời gian, tạo ra những điểm yếu dễ bị ăn mòn.
Trong hợp kim mới, crom được phân bố đều trong toàn bộ vật liệu, trong khi các hạt đồng giúp giữ crom ổn định, ngăn không cho nó di chuyển và hình thành điểm yếu. Nhờ đó, khả năng chống ăn mòn được cải thiện đáng kể, thậm chí có thể cạnh tranh với thép không gỉ.
Hiệu năng ấn tượng, mở ra ứng dụng lớn
Trong các thử nghiệm, loại thép mới đạt độ bền khoảng 1.730 MPa — một con số rất cao — đồng thời có thể kéo giãn tới 15,5% trước khi đứt. Đây là mức cải thiện khoảng 30% so với trạng thái ban đầu ngay sau khi in.
Sự kết hợp giữa độ bền, độ dẻo và khả năng chống gỉ khiến vật liệu này trở nên đặc biệt tiềm năng trong nhiều ngành công nghiệp như hàng không, quân sự, năng lượng và kỹ thuật nặng. Nó có thể giúp chế tạo các bộ phận máy bay nhẹ hơn nhưng bền hơn.
Ngoài ra, khả năng chống ăn mòn cũng khiến nó phù hợp với các ứng dụng khắc nghiệt như tuabin gió ngoài khơi, đường ống dầu khí hay các công trình chịu môi trường biển.
Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí International Journal of Extreme Manufacturing.
Theo IE
