Giới thiệu
Nhôm, với sự cân bằng tuyệt vời giữa độ nhẹ và độ bền, là một vật liệu không thể thiếu trong các lĩnh vực đa dạng như ô tô, máy bay và vật liệu xây dựng. Trong những năm gần đây, do các xu hướng toàn cầu về khử cacbon và điện khí hóa, nhu cầu về các hợp kim nhẹ hơn và bền hơn nữa đang tăng nhanh. Bài viết này sẽ trình bày chi tiết các xu hướng công nghệ mới nhất và các ví dụ thực tế, tập trung vào ba chủ đề chính là “giảm trọng lượng”, “độ bền cao” và “phát triển hợp kim mới”. Qua mỗi chương, chúng tôi sẽ làm rõ các điểm chính để lựa chọn công nghệ có tính đến chi phí sản xuất và khả năng sản xuất hàng loạt, đồng thời cũng đề cập đến các chiến lược đa dạng hóa nguồn cung ứng ở nước ngoài. Từ phần tiếp theo, chúng ta sẽ khám phá trước tiên về công nghệ giảm trọng lượng tiên tiến nhất.
Xu hướng công nghệ mới nhất về giảm trọng lượng
Cải thiện độ bền riêng bằng phương pháp kết tinh nano
Trong những năm gần đây, công nghệ “kết tinh nano”, giúp tinh chế các hạt tinh thể của hợp kim nhôm xuống vài trăm nanomet hoặc nhỏ hơn, đã thu hút được sự chú ý. Bằng cách giảm kích thước hạt tinh thể từ phạm vi 10μm thông thường xuống còn khoảng 100-500nm, có thể tăng độ bền kéo từ 300 lên hơn 350MPa trong khi vẫn đạt được việc giảm trọng lượng mà gần như không thay đổi trọng lượng riêng. Các ranh giới hạt tinh thể mịn cản trở sự di chuyển của các sai lệch, góp phần làm tăng độ bền trong quá trình biến dạng dẻo, nhưng việc tối ưu hóa năng suất và chi phí quy trình vẫn là một thách thức trong tương lai.
Sử dụng hợp kim chứa magiê
Magiê (Mg) là kim loại nhẹ thứ hai sau nhôm và cũng góp phần cải thiện độ bền. Do đó, các hợp kim Al-Mg (dòng 5xxx) có hàm lượng Mg từ 3-5% trọng lượng được sử dụng rộng rãi làm vật liệu nhẹ. Việc bổ sung Mg giúp cải thiện độ bền riêng 10-15%, và việc sử dụng chúng đang tiến triển trong các thành phần kết cấu cho hàng không vũ trụ và thân xe điện. Mặc dù khả năng chống ăn mòn bị giảm nhẹ, các vấn đề thực tế có thể được khắc phục bằng cách kết hợp nó với xử lý nhiệt và xử lý bề mặt thích hợp.
Tối ưu hóa hình dạng bằng in 3D (SLM/EBM)
Các công nghệ in 3D kim loại như Nóng chảy bằng laser chọn lọc (SLM) và Nóng chảy bằng chùm tia điện tử (EBM) có thể sản xuất các bộ phận có cấu trúc rỗng hoặc hình dạng được tối ưu hóa về mặt topo trong một khối duy nhất, điều mà rất khó thực hiện với phương pháp đúc hoặc rèn thông thường. Bằng cách sản xuất bồi đắp với độ dày lớp 20-50μm, có thể duy trì độ cứng cao trong khi vẫn giữ độ dày thành ở mức tối thiểu cần thiết. Các trường hợp đã được báo cáo trong đó trọng lượng đã giảm 20-30% so với các phương pháp thông thường do tăng tự do thiết kế. Đối với ứng dụng sản xuất hàng loạt, cần phải cải thiện tỷ lệ tái sử dụng bột và tốc độ xây dựng.
Công nghệ tiên tiến về độ bền cao
Kiểm soát ranh giới hạt (Công nghệ tăng cường ranh giới hạt)
Phương pháp cơ bản nhất để tăng độ bền là tăng cường thông qua kiểm soát ranh giới hạt. Kích thước hạt tinh thể càng mịn, sự di chuyển của sai lệch ở các ranh giới hạt càng bị cản trở, và độ bền kéo càng được cải thiện (hiệu ứng Hall-Petch). Đặc biệt, Tái kết tinh động liên tục (CDRX) cho phép đạt được cả độ dẻo dai tuyệt vời và độ bền cao vì các ranh giới hạt góc thấp (LAGB) dần chuyển thành các ranh giới hạt góc cao trong quá trình xếp chồng cao, tạo thành một vi cấu trúc mịn đồng đều (ResearchGate). Hơn nữa, tái kết tinh động liên tục và không liên tục (DDRX, GDRX) xảy ra trong các quy trình như cán nóng và nén nóng cũng được sử dụng, và có những trường hợp đạt được độ bền kéo từ 300MPa trở lên thông qua thiết kế quy trình phù hợp (ScienceDirect).
Ép đẳng tĩnh nóng (HIP) và xử lý tái kết tinh
Ép đẳng tĩnh nóng (HIP) là một công nghệ giữ vật liệu ở nhiệt độ cao dưới áp suất khí đẳng hướng từ hàng chục đến hàng trăm MPa để đóng và loại bỏ các lỗ rỗ đúc và các khuyết tật bên trong, đồng thời làm đặc cấu trúc. Ví dụ, các báo cáo cho thấy rằng xử lý HIP các hợp kim Al-Si-Mg (khoảng 75MPa, nhiệt độ 550-600°C, trong vài giờ) làm giảm yêu cầu về tốc độ làm mát đối với dung dịch rắn siêu bão hòa ở trạng thái tôi, đồng thời giảm độ rỗ bên trong hơn 90% và cải thiện độ bền mỏi và độ bền chảy 10-20% (MDPI). Hơn nữa, cũng có thể rút ra các đặc tính độ bền cao vượt quá 400MPa bằng cách tối ưu hóa cấu trúc cứng hóa kết tủa thông qua xử lý dung dịch và hóa già nhân tạo được thực hiện sau HIP. Một đặc điểm chính là bản thân HIP liên quan đến tái kết tinh động (DRX), cho phép “xử lý tái kết tinh” hình thành một vi cấu trúc mịn đồng đều trong khi loại bỏ các khuyết tật được thực hiện trong một quy trình duy nhất (ScienceDirect).
Xử lý tăng cường bề mặt: Các lớp phủ tiên tiến như AlooH®
Ngoài độ bền bên trong của vật liệu cơ bản, các công nghệ xử lý bề mặt tiên tiến là không thể thiếu để cải thiện độ bền mỏi của bề mặt bộ phận. AlooH® chỉ sử dụng hơi nước và tạo thành một lớp màng oxit đồng đều, có độ cứng cao trong khi kiểm soát phản ứng hóa học giữa hơi nước và vật liệu cơ bản bên trong một bình chịu nhiệt độ cao, áp suất cao. So với anodizing thông thường, không có sự thay đổi về độ dày màng do khoảng cách điện cực hoặc sự bất thường về nồng độ chất điện phân, và một lớp màng đồng đều có thể được tạo ra ngay cả trên các bộ phận có hình dạng phức tạp, cải thiện đáng kể khả năng chống ăn mòn rỗ và chống mài mòn. Hơn nữa, dữ liệu thử nghiệm đã được báo cáo cho thấy rằng xử lý AlooH® cũng sửa đổi vi cấu trúc của bề mặt vật liệu cơ bản, tạo thành một lớp oxit mịn và một vùng kết tinh cao gần bề mặt, giúp cải thiện cả độ bền kéo và giá trị giới hạn mỏi 10-15%. Khả năng đạt được cả khả năng chống ăn mòn cao và độ bền cao làm cho nó trở nên tối ưu cho việc tăng cường bề mặt của các bộ phận ô tô và máy bay.
Xu hướng phát triển hợp kim mới
Hợp kim hiệu suất cao cho máy bay và ô tô
Trong lĩnh vực máy bay và ô tô, có một nhu cầu cấp thiết là phát triển các hợp kim mới có độ bền riêng (tỷ lệ độ bền trên mật độ) cao hơn so với các hợp kim thông thường từ quan điểm cải thiện hiệu suất nhiên liệu và giảm chi phí vận hành. Nghiên cứu gần đây đã báo cáo các hợp kim đạt được cả độ bền kéo trên 400MPa và cải thiện độ bền riêng từ 15% trở lên bằng cách pha trộn tối ưu đồng (Cu), magiê (Mg) và silic (Si) và kiểm soát các kết tủa mịn. Đặc biệt, các hợp kim dòng Al-Cu-Li được phát triển cho máy bay đang được đánh giá về khả năng giảm trọng lượng riêng từ 2,8g/cm³ thông thường xuống còn khoảng 2,6g/cm³ bằng cách thêm Li, trong khi vẫn duy trì độ bền mỏi cao, và ứng dụng của chúng đang mở rộng sang các bộ phận động cơ ô tô và vật liệu kết cấu.
Hợp kim nhôm dành riêng cho in 3D
Với sự phổ biến của công nghệ in 3D kim loại, các hợp kim đặc biệt nhấn mạnh sự phù hợp để tạo hình bằng SLM/EBM cũng đã xuất hiện. Ví dụ, các hợp kim dòng Al-Si-Mg kìm hãm sự biến dạng nhiệt trong quá trình nóng chảy bằng cách chứa khoảng 12-15% trọng lượng Si, làm giảm ứng suất bên trong trong quá trình sản xuất bồi đắp. Ngoài ra, bằng cách kiểm soát hành vi tái kết tinh thông qua việc bổ sung Mg, sự suy giảm độ bền theo hướng xếp chồng được kìm hãm, và các đặc tính cơ học từ 300MPa trở lên được đạt được ngay cả đối với các bộ phận lớn có chiều cao khoảng 100mm. Do đó, thiết kế thành phần cân bằng giữa các đặc tính của bột và khả năng chống lại lịch sử nhiệt đang thúc đẩy ứng dụng thực tế của các bộ phận in 3D.
Hợp kim composite với khả năng chống ăn mòn và chống mài mòn được tăng cường
Các hợp kim Composite Ma trận Kim loại (MMC), có khả năng chống ăn mòn và chống mài mòn được tăng cường để sử dụng trong các môi trường khắc nghiệt như các công trình ven biển và các bộ phận máy móc, cũng đang thu hút sự chú ý. Một công nghệ điển hình liên quan đến việc phân tán 5-10% thể tích các hạt gốm mịn như SiC hoặc Al₂O₃ trong một ma trận hợp kim Al, đã được xác nhận là cải thiện độ bền kéo và độ cứng hơn 30% và tăng hơn gấp đôi khả năng chống mài mòn. Hơn nữa, một ưu điểm lớn là bằng cách tập trung pha cứng gần bề mặt, sự tiến triển mài mòn cục bộ có thể được kìm hãm trong khi vẫn duy trì trọng lượng nhẹ tổng thể.
Các nghiên cứu điển hình trong nước và quốc tế
Ứng dụng trong các bộ phận kết cấu máy bay
Trong máy bay, việc giảm trọng lượng của khung máy bay trực tiếp dẫn đến cải thiện hiệu suất nhiên liệu và hiệu suất tầm bay. Các hợp kim nhôm-lithium (Al-Li) thế hệ mới, đặc biệt là 2198-T8 và 2196-T8511, đang thu hút sự chú ý vì chúng có thể cải thiện độ bền riêng 15-20% so với các hợp kim nhôm máy bay thông thường trong khi giảm trọng lượng riêng từ khoảng 2,8 xuống 2,6 g/cm³. Trên thực tế, các hợp kim này đã được áp dụng cho các ứng dụng vỏ thân máy bay và dầm cánh, và các tác động của việc giảm tiêu thụ nhiên liệu hàng năm hàng chục nghìn lít đã được báo cáo (ROSA P). Hơn nữa, theo phân tích thống kê mới nhất, việc giới thiệu các hợp kim Al-Li được kỳ vọng sẽ cải thiện hiệu suất nhiên liệu lên đến 10% hàng năm cho toàn bộ máy bay, cũng góp phần vào việc giảm tải môi trường (Number Analytics).
Nghiên cứu điển hình về giảm chi phí trong phụ tùng ô tô
Trong lĩnh vực ô tô, trường hợp xe bán tải F-150 của Ford chuyển toàn bộ thân xe sang nhôm từ mẫu xe năm 2015 là rất nổi tiếng. Điều này đã giảm trọng lượng xe 14% và cải thiện đáng kể hiệu suất nhiên liệu từ 14 mpg thông thường lên 22 mpg (kết hợp thành phố/đường cao tốc) (ICCT). Hiệu quả giảm chi phí nhiên liệu tương đương với việc tiết kiệm khoảng 200 gallon (khoảng 750 L) cho mỗi 10.000 dặm (khoảng 16.000 km) lái xe hàng năm, và giả sử giá xăng là 3 USD/gallon, có thể dự kiến giảm chi phí khoảng 600 USD/năm. Ngoài ra, việc giảm trọng lượng xe giúp giảm mài mòn linh kiện và tải trọng lên hệ thống truyền động, kìm hãm chi phí bảo trì và thành công trong việc giảm tổng chi phí sở hữu (TCO) (Materials Education (MatEdU)).
Mở rộng sang lĩnh vực xây dựng và cơ sở hạ tầng
Trong xây dựng đô thị và cơ sở hạ tầng, việc sử dụng các mô-đun mặt tiền quang điện tích hợp trong tòa nhà (BIPV) với nhôm làm vật liệu cơ bản đang gia tăng, thay thế các tấm kính và thép thông thường. Nghiên cứu gần đây đã báo cáo một trường hợp trong đó các mô-đun BIPV sử dụng các tấm lưng bằng nhôm đã giảm trọng lượng 30% so với các mô-đun kính có công suất tương đương, và giảm chi phí lắp đặt và kết cấu hỗ trợ khoảng 15% (ScienceDirect). Hơn nữa, bằng cách kết hợp chúng với anodizing và sơn bột, có khả năng chống ăn mòn và chịu thời tiết tuyệt vời, chi phí bảo trì dài hạn cũng có thể được kìm hãm đáng kể. Do những lợi thế này, ứng dụng của chúng đang tiến tới các mặt tiền của các tòa nhà cao tầng, lan can lối đi bộ trên cầu và các công trình tạm thời cho các thảm họa.
Thách thức và triển vọng tương lai
Cân bằng giữa chi phí và khả năng sản xuất hàng loạt
Công nghệ càng tiên tiến, các quy trình sản xuất và điều kiện xử lý càng trở nên nghiêm ngặt, và việc tăng chi phí là một thách thức. Ví dụ, trong quá trình kết tinh nano, đầu tư thiết bị chuyên dụng và kiểm soát chính xác cao là điều cần thiết cho quá trình xử lý năng lượng cao (chẳng hạn như hợp kim hóa cơ học hoặc xử lý cắt tốc độ cao) để tinh chế các hạt tinh thể xuống còn 100-500nm, và có nguy cơ giảm năng suất và không đủ thông lượng. Trong tương lai, chìa khóa để đạt được sự cân bằng sẽ là giảm chi phí thông qua việc giới thiệu các quy trình liên tục và kiểm soát chất lượng nội tuyến, và rút ngắn thời gian chu kỳ bằng cách tối ưu hóa các chu kỳ xử lý nhiệt.
Sự cần thiết của việc đa dạng hóa chuỗi cung ứng
Việc phát triển các hợp kim hiệu suất cao đòi hỏi nguồn cung ổn định Li, Cu và các nguyên tố hiếm, nhưng những nguyên tố này phải đối mặt với rủi ro địa chính trị và biến động giá cả. Ví dụ, mặc dù hiệu quả cải thiện độ bền riêng của các hợp kim dòng Al-Cu-Li là cao, nhưng do nhu cầu và nguồn cung nguyên liệu Li toàn cầu bị hạn chế, cần phải thành lập các liên minh với nhiều nhà cung cấp trong nước và quốc tế và mở rộng việc sử dụng nguyên liệu thô thứ cấp (vật liệu tái chế).
Hướng nghiên cứu và phát triển thế hệ tiếp theo
Trong tương lai, dự kiến rằng thiết kế hợp kim tốc độ cao sử dụng “thiết kế ngược” (Tin học Vật liệu) với AI và dự đoán hành vi kết tủa mịn bằng mô phỏng hóa học lượng tử sẽ trở thành xu hướng chủ đạo. Ví dụ, nghiên cứu đang được tiến hành để tối ưu hóa sự tương tác giữa các đặc tính của bột và lịch sử nhiệt trong các hợp kim Al-Si-Mg dành riêng cho in 3D bằng cách sử dụng phân tích đa biến, và dự kiến sẽ góp phần đạt được cả chất lượng sản xuất bồi đắp và các đặc tính cơ học. Hơn nữa, với ứng dụng thực tế của công nghệ giám sát vi mô thời gian thực, việc kiểm soát quy trình trước khi xảy ra lỗi sẽ trở nên khả thi, và sự phát triển của các hợp kim nhôm hiệu suất cao thế hệ tiếp theo dự kiến sẽ được đẩy nhanh.
Kết luận
Trong bài viết này, chúng tôi đã xem xét ① các công nghệ giảm trọng lượng giúp giảm trọng lượng 20-30% thông qua tối ưu hóa cấu trúc bằng phương pháp kết tinh nano, các hợp kim chứa Mg và in 3D, ② các phương pháp tăng cường độ bền nhằm đạt được trên 400MPa bằng cách tăng cường ranh giới hạt, HIP + hóa già nhân tạo và lớp phủ AlooH®, và ③ xu hướng phát triển hợp kim mới giúp cải thiện khả năng chống ăn mòn và chống mài mòn với các dòng Al-Cu-Li, các hợp kim dành riêng cho in 3D và MMC. Ngoài ra, từ các nghiên cứu điển hình trong các lĩnh vực máy bay, ô tô và xây dựng, các tác động của việc ứng dụng công nghệ, chẳng hạn như cải thiện hiệu suất nhiên liệu khoảng 10% và giảm TCO, đã được xác nhận.
Trong tương lai, thị trường được dự báo sẽ tăng trưởng với tốc độ CAGR khoảng 5% từ năm 2025 đến năm 2030, với sự gia tăng đặc biệt mạnh mẽ về nhu cầu nhôm hiệu suất cao cho các ứng dụng EV và hàng không vũ trụ. Việc cân bằng giữa chi phí và khả năng sản xuất hàng loạt, đa dạng hóa chuỗi cung ứng và giới thiệu Tin học Vật liệu sẽ là chìa khóa, và cuộc cạnh tranh để ứng dụng thực tế nhanh chóng các hợp kim thế hệ tiếp theo sẽ càng trở nên gay gắt hơn.
Nguồn:
- Bộ Kinh tế, Thương mại và Công nghiệp “Thống kê xuất nhập khẩu sản phẩm kim loại” (https://www.meti.go.jp/)
