27/09/2024
Điều kỳ diệu của khoa học và công nghệ cao nằm trong tua-bin khí trong động cơ máy bay.
Đây là một cánh tua-bin khí nằm ở phần chịu tải lớn nhất và khắc nghiệt nhất của động cơ máy bay: làm việc ngay sau buồng đốt với nhiệt độ trên 2000 C, chịu tải thường xuyên tương đương trọng lượng của 1 xe bus hai tầng, lực chịu tải tối đa là tương đương trọng lượng 100 xe ô tô cỡ nhỏ. Mỗi tua bin khí này sẽ tạo ra mã lực ngang bằng một xe đua công thức 1. Làm sao để có thể chế tạo được chi tiết làm việc ở điều kiện khắc nghiệt như vậy? Dưới đây là câu chuyện kỳ diệu mà loài người đã mất khoảng 20 năm và hiện vẫn tiếp tục có rất nhiều nghiên cứu chuyên sâu và phát triển công nghệ để đảm bảo an toàn cho các chuyến bay của các bạn.
Điều kỳ diệu đầu tiên: Cánh tua bin này là một đơn tinh thể của siêu hợp kim ni-ken (Ni). Vì sao cần là đơn tinh thể? Lý do là vì ở nhiệt độ cao, phá huỷ chính là do dão, mà dão thì thường xảy ra ở biên giới hạt tinh thế. Tua bin là đơn tinh thể thì mới có giảm thiểu được diện tích biên giới hạt, giúp hạn chế phá huỷ dão.
Vì sao phải dùng siêu hợp kim Ni? Siêu hợp kim Ni có chứa các hạt siêu tinh thể ngưng tụ rắn trong nền của tinh thể khác, giúp duy trì độ bền/cứng kể cả khi ở gần nhiệt độ nóng chảy - một tính chất rất đặc biệt mà chỉ thấy ở "siêu hợp kim" một siêu vật liệu không có trong tự nhiên mà được chính con người tạo ra.
Để nuôi được một đơn tinh thể với kích thước lớn như vậy là một thử thách về khoa học và công nghệ - đây là điều tuyệt vời thứ 2. Tua bin khí được tạo ra bởi quá trình đúc vô cùng phức tạp. Đầu tiên kim loại lỏng được rót vào khuân đúc với đuôi giống đuôi lợn (pigtail) trong lò chân không. Vì sao cần là cấu trúc đuôi lợn? Vì độ uốn lượn chôn ốc kết hợp với trường nhiệt độ xung quanh khuân được khống chế chính xác gần như tuyệt đối sẽ chỉ cho phép 1 hạt tinh thể duy nhất (từ vô vàn hạt khác) lớn lên trong quá trình nguội để "trưởng thành" một tua bin.
Đây là yếu tố xuất sắc thứ 3: Nhiệt độ ngay sau buồng đốt của động cơ là trên 2000C, trên cả nhiệt độ nóng chảy của siêu hợp kim Ni. Làm sao kim loại này có thể tồn tại nổi ở nhiệt độ này và thậm chí còn chịu tải rất lớn? Các tua bin khí này là rỗng với hệ thống làm mát nhờ vào không khí lạnh được hút vào từ cánh quạt động cơ. Không khí lạnh này chạy bên trong lõi tua bin rồi thổi ra từ các lỗ li ti, tạo nên một màng mỏng khí lạnh vậy quanh tua bin hình thành lớp bảo vệ cách nhiệt đầu tiên. Lớp bảo vệ thứ hai là tua-bin được phủ bảo một lớp mỏng cách nhiệt (dầy khoảng 150 micro-met) bởi ceramics có chứa kim loại hiếm. Nhiệt độ sau khi 2 lớp cách nhiệt này giảm xuống còn 900 đến 1000C - Đây mới là nhiệt độ làm việc thực sự của siêu hợp kim Ni.
Lần tới khi các cô/bác anh chị bay, xin hay giành thời gian nhìn động cơ và cảm ơn những tinh thể nhỏ bé và phi thường này.
