Trong hơn một thế kỷ, các nhà luyện kim đã phải chấp nhận một sự đánh đổi khó tránh: thép càng bền thì càng dễ gỉ, thép chống gỉ tốt thì lại thiếu độ cứng cần thiết cho các công trình khắc nghiệt. Nhưng một nghiên cứu quốc tế vừa công bố trên tạp chí International Journal of Extreme Manufacturing đã cho thấy trí tuệ nhân tạo có thể phá vỡ quy luật này bằng cách thiết kế ra loại thép in 3D vừa bền vượt trội vừa kháng ăn mòn ở mức chưa từng có.
Điểm đột phá nằm ở cách tiếp cận hoàn toàn mới: thay vì thử nghiệm hàng trăm công thức hợp kim trong phòng thí nghiệm, nhóm nghiên cứu đã xây dựng một mô hình học máy có khả năng phân tích 81 đặc tính vật lý hóa học cơ bản của các nguyên tố, từ bán kính nguyên tử cho đến hành vi của electron.
Quan trọng hơn, thuật toán này còn tính đến cả cách vật liệu phản ứng với quy trình in 3D bằng laser nóng chảy bột kim loại (LPBF), nghĩa là loại thép mới được thiết kế ngay từ đầu để tối ưu cho công nghệ sản xuất hiện đại, thay vì chỉ đơn thuần là những hợp kim đúc truyền thống được "vay mượn" cho mục đích in 3D.
Kết quả mà AI đưa ra là một công thức hợp kim phức tạp: Fe-15Cr-3.2Ni-0.8Mn-0.6Cu-0.56Si-0.4Al-0.16C. Mô hình dự đoán loại thép này có thể chịu được áp suất lên tới 1.713 Megapascal và kéo dãn hơn 15% trước khi đứt gãy.
Khi các nhà khoa học tiến hành in thử nghiệm bằng máy LPBF, những con số thực tế hoàn toàn trùng khớp với dự báo của AI, điều mà trong quá khứ có thể mất hàng năm trời thử nghiệm mới đạt được.
Thông số kỹ thuật của loại thép mới thật sự ấn tượng. So với trạng thái thô ngay sau khi in, vật liệu này có độ bền tăng khoảng 30% và độ dẻo dai gấp đôi sau khi trải qua quy trình xử lý nhiệt ngắn chỉ 6 giờ.
Bí mật nằm ở những hạt nano cực nhỏ của đồng và niken-nhôm hình thành trong quá trình gia nhiệt, chúng hoạt động như những rào cản vi mô ngăn chặn các khuyết tật cấu trúc lan rộng trong khối kim loại. Cơ chế này giống như việc gia cố một bức tường bằng cách rải đều các thanh thép nhỏ xuyên suốt, khiến vết nứt không thể phát triển thành những đường gãy lớn.
Nhưng điểm vượt trội thực sự của loại thép này nằm ở khả năng chống ăn mòn. Trong khi hầu hết các loại thép in 3D hiện nay đều gặp vấn đề với độ bền hóa học kém do quy trình nung chảy và làm nguội nhanh tạo ra các khuyết tật vi mô, hợp kim mới chỉ bị ăn mòn 0,105 milimét mỗi năm, một con số thậm chí còn tốt hơn nhiều loại thép không gỉ thương mại hàng đầu hiện nay.
Tính năng này mở ra tiềm năng ứng dụng rộng lớn, đặc biệt trong ngành hàng không vũ trụ và hàng hải, nơi vật liệu thường xuyên tiếp xúc trực tiếp với độ ẩm, nước biển và các môi trường ăn mòn khắc nghiệt khác.
Các tác giả nghiên cứu nhấn mạnh rằng chiến lược thiết kế dựa trên đặc tính vật lý hóa học kết hợp học máy (PF-ML) là một phương pháp hiệu quả về chi phí để thúc đẩy ngành sản xuất kim loại bằng công nghệ đắp bồi.
Mặc dù các thông số của mô hình cần được điều chỉnh lại với mỗi loại vật liệu khác nhau, đây có thể là bước đột phá mà ngành công nghiệp đang chờ đợi để cuối cùng tạo ra những kim loại vừa bền vừa chống gỉ với tốc độ và tính linh hoạt vốn làm nên danh tiếng của máy in 3D. Sau hàng thập kỷ phải lựa chọn giữa độ bền và khả năng chống ăn mòn, giờ đây con người có thể có được cả hai nhờ sức mạnh của trí tuệ nhân tạo.
Nguyễn Hải
