Ngày 28/8/2025, các nhà khoa học từ Đại học Nghiên cứu Quốc gia Belgorod (BelSU), Nga, công bố một bước đột phá trong công nghệ hàn ma sát khuấy (FSW - Friction Stir Welding), cải tiến kỹ thuật ghép nối hợp kim nhôm và titan để tạo ra các mối hàn siêu bền, khắc phục điểm yếu trong kết cấu máy bay. Phát minh này, được bảo hộ bằng sáng chế tại Nga, hứa hẹn nâng cao độ an toàn và tuổi thọ của các cấu trúc hàng không vũ trụ. Bằng cách giảm thiểu sự hình thành lớp liên kim dễ vỡ và tối ưu hóa quá trình hàn, công nghệ của BelSU không chỉ đáp ứng nhu cầu của ngành hàng không mà còn mở ra tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực như vận tải và sản xuất công nghiệp. Bài viết này sẽ phân tích chi tiết thành tựu này, kết hợp thông tin từ bài gốc và các nguồn nghiên cứu tiếng Anh, để làm rõ ý nghĩa kỹ thuật, tác động công nghiệp và triển vọng tương lai.

Hợp kim nhôm và titan là hai vật liệu chủ đạo trong ngành hàng không vũ trụ nhờ đặc tính nhẹ và bền. Nhôm, với điểm nóng chảy thấp (650°C), được sử dụng trong các bộ phận như thân máy bay và cánh, trong khi titan, với điểm nóng chảy cao (1.650°C), phù hợp cho các chi tiết chịu nhiệt như động cơ. Tuy nhiên, việc hàn hai hợp kim này là một thách thức lớn do sự khác biệt về tính chất nhiệt và sự hình thành lớp liên kim (intermetallic compound) tại giao diện, vốn giòn và dễ gây nứt gãy. Lớp liên kim, như TiAl3, có cấu trúc tinh thể không đồng nhất, làm suy yếu mối hàn và khiến khu vực này trở thành điểm yếu trong kết cấu. Để giải quyết, các nhà khoa học BelSU, dẫn đầu bởi Giáo sư Sergey Mironov, đã cải tiến kỹ thuật hàn ma sát khuấy (FSW), một phương pháp hàn trạng thái rắn không làm nóng chảy kim loại, từ đó giảm thiểu nguy cơ tạo liên kim.

Hàn ma sát khuấy (FSW) hoạt động bằng cách sử dụng một dụng cụ quay tốc độ cao (tối thiểu 1.100 rpm) để tạo nhiệt ma sát, làm mềm dẻo kim loại và trộn cơ học chúng tại giao diện. Tuy nhiên, trong các phương pháp FSW truyền thống, dụng cụ thường tiếp xúc trực tiếp với cả nhôm và titan, dẫn đến nhiệt độ cao (lên đến 1.200°C) và hình thành lớp liên kim dày. BelSU đã đề xuất một phương pháp sáng tạo: hàn chồng (overlap welding), trong đó nhôm được đặt phía trên, titan phía dưới, và dụng cụ chỉ xuyên vào nhôm, giữ khoảng cách 50 micron với giao diện titan. Điều này giúp giảm nhiệt độ tại giao diện xuống dưới 600°C, hạn chế sự hình thành liên kim và tăng độ bền mối hàn. Kết quả thử nghiệm cho thấy mối hàn chịu được tải trọng tĩnh và động (quasi-static và fatigue loading), với điểm phá hủy xảy ra ở vùng nhôm chứ không phải mối hàn.

Phương pháp này mang lại nhiều lợi ích vượt trội. Thứ nhất, nó giảm độ dày lớp liên kim xuống mức tối thiểu (dưới 1 micron), cải thiện đáng kể độ bền và độ tin cậy của mối hàn. Thứ hai, bằng cách tránh tiếp xúc trực tiếp với titan, công nghệ giảm mài mòn dụng cụ, vốn là vấn đề lớn do titan có độ cứng cao. Điều này cho phép sử dụng các dụng cụ rẻ hơn, giảm chi phí sản xuất. Thứ ba, mối hàn siêu bền này đáp ứng các tiêu chuẩn nghiêm ngặt của ngành hàng không, như AWS D17.1, đảm bảo an toàn cho các kết cấu chịu lực như thân máy bay và cánh. Ví dụ, trong sản xuất máy bay Boeing và Airbus, FSW đã được áp dụng để thay thế đinh tán, giảm trọng lượng và tăng độ bền.

Thành tựu của BelSU cũng phản ánh xu hướng toàn cầu trong công nghệ hàn cho hàng không vũ trụ. Các nghiên cứu từ *ScienceDirect* chỉ ra rằng FSW đang trở thành lựa chọn hàng đầu để hàn các hợp kim khác nhau (dissimilar alloys), đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu trọng lượng nhẹ và độ bền cao, như cấu trúc cánh hoặc thân tàu vũ trụ. So với các phương pháp hàn nhiệt (fusion welding) như TIG hay MIG, FSW tránh được các khuyết tật như rỗ khí (porosity) và nứt do nguội (solidification cracking), đồng thời giảm biến dạng nhiệt. Các công ty như SpaceX cũng đang áp dụng FSW cho tàu Starship, minh chứng cho tiềm năng của công nghệ này trong không gian.

Tuy nhiên, thách thức vẫn tồn tại. Việc triển khai công nghệ FSW chồng trong sản xuất thực tế đòi hỏi kiểm soát chính xác khoảng cách dụng cụ (50 micron), điều này yêu cầu máy móc hiện đại và kỹ thuật viên lành nghề. Ngoài ra, chi phí đầu tư ban đầu cho thiết bị FSW có thể cao, đặc biệt với các doanh nghiệp nhỏ. Các nhà khoa học BelSU hiện đang thử nghiệm công nghệ này trong môi trường sản xuất thực tế, với mục tiêu tối ưu hóa quy trình và giảm chi phí. Hơn nữa, trong bối cảnh địa chính trị phức tạp, như liên minh BRICS hay căng thẳng Nga-Ukraine, việc áp dụng công nghệ tiên tiến này có thể bị ảnh hưởng bởi các hạn chế thương mại hoặc hợp tác quốc tế.

Tóm lại, công nghệ hàn ma sát khuấy cải tiến của BelSU là một bước tiến quan trọng, khắc phục điểm yếu trong kết cấu nhôm-titan và nâng cao độ an toàn, tuổi thọ của máy bay. Bằng cách giảm lớp liên kim và tối ưu hóa quy trình hàn chồng, phương pháp này không chỉ đáp ứng nhu cầu hàng không mà còn mở ra tiềm năng trong các ngành công nghiệp khác. Tuy nhiên, để thương mại hóa, cần vượt qua thách thức về chi phí và hợp tác quốc tế. Thành tựu này nhấn mạnh vai trò của đổi mới khoa học trong việc định hình tương lai công nghệ, đồng thời nhắc nhở rằng sự bền vững của ngành hàng không phụ thuộc vào sự kết hợp giữa kỹ thuật tiên tiến và chiến lược toàn cầu.

A.T (NASTIS), theo ScienceDirect, 9/2025