Những thanh gươm đồng chôn cùng đội quân đất nung truyền cảm hứng cho nhóm nghiên cứu phát triển kỹ thuật mạ hai lớp chrome để tăng tuổi thọ nòng súng. Ảnh: Smart History
Interesting Engineering hôm 2/8 đưa tin một nhóm nhà khoa học ở tây bắc Trung Quốc, đứng đầu là Gao Ying tại Viện Cơ khí và Điện tử Tây Bắc ở Hàm Dương, Tây An, tìm ra cách tăng gấp đôi tuổi thọ của nòng pháo chịu nhiệt độ và áp suất cao bằng cách cải tiến kỹ thuật mạ chrome mà quân đội Trung Quốc từng sử dụng từ thời Tần Thủy Hoàng.
Những thanh kiếm đồng chôn cùng đội quân đất nung của Tần Thủy Hoàng vẫn sắc bén và không bị han gỉ sau hơn 2.000 năm dưới lòng đất. Kết quả phân tích vi mô hé lộ một lớp muối chrome mỏng chỉ dày 10-15 micromet trên bề mặt của chúng, được bảo vệ bởi màng oxit bên dưới giúp ngăn chặn gần như hoàn toàn hiện tượng ăn mòn. Đây là bằng chứng về kỹ thuật xử lý bề mặt tinh vi mà các nhà luyện kim cổ đại Trung Quốc đã thành thạo.
Theo nghiên cứu công bố trong số tháng 7 của Acta Armamentarii, tạp chí công nghệ quốc phòng hàng đầu của Trung Quốc, Gao và cộng sự đã nâng cấp phương pháp mạ cổ xưa thành giải pháp tiên tiến, giúp vượt qua một trong những thách thức lớn nhất đối với pháo hiện đại là hiện tượng ăn mòn.
Các khẩu pháo tốc độ cao và pháo tự hành tiên tiến trải qua điều kiện khắc nghiệt mỗi lần bắn. Bên trong nòng pháo, nhiệt độ tăng vọt lên hơn 3.000 độ C và áp suất vượt quá hàng chục nghìn atmosphere. Tác động kết hợp của ăn mòn hóa học từ khí đẩy, mài mòn cơ học từ đạn và sốc nhiệt từ những lần bắn liên tiếp dẫn đến mài mòn nhanh chóng, nứt vi mô và cuối cùng là nòng pháo bị xuống cấp, không chỉ làm giảm độ chính xác mà còn gây rủi ro nghiêm trọng nếu trục trặc.
Mạ chrome một lớp từ lâu trở thành phương pháp tiêu chuẩn ngăn chặn nòng pháo xuống cấp. Dù giúp cải thiện độ bền, lớp phủ chrome thông thường có nhược điểm là áp lực bên trong cao, độ bám dính kém và dễ phát triển vết nứt sâu liên kết với nhau, đặc biệt trong điều kiện bắn liên tục. Khi những vết nứt này lan đến lớp thép nền, tình trạng ăn mòn tăng tốc kéo theo bong tróc.
Để giải quyết vấn đề, nhóm nghiên cứu tạo ra một lớp phủ chrome kép. Đầu tiên là lớp "chrome mềm" mờ, đáp vào ở nhiệt độ và mật độ dòng điện thấp hơn. Lớp bên trong này được thiết kế để tăng độ bền và dẻo dai, giảm lỗ rỗng và áp lực bên trong. Nằm bên trên lớp nền là lớp chrome cứng hơn được mạ với dòng điện và nhiệt độ cao hơn, tạo thành vỏ ngoài chống mài mòn.
Kết quả là một lớp phủ dày 40 micromet nửa mềm nửa cứng, ranh giới giữa hai lớp hoạt động như rào cản tự nhiên ngăn vết nứt lan truyền. Khác với mạ chrome một lớp khiến vết nứt lan sâu khó kiểm soát, thiết kế hai lớp ngăn chặn nứt gãy tại giao diện. Hình ảnh vi mô cho thấy những vết nứt ngắn nằm rải rác trong lớp ngoài nhưng hiếm khi xuyên qua lớp chrome mềm bên dưới.
Khi kiểm tra trong phòng thí nghiệm, kết quả thu được rất hứa hẹn. Ở nhiệt độ phòng, lớp phủ chrome hai lớp có tỷ lệ mài mòn giảm 23% so với lớp mạ thông thường. Ở nhiệt độ 600 độ C mô phỏng bắn liên tục trong chiến đấu, mức độ mài mòn của lớp phủ đơn tăng 98% trong khi lớp phủ kép chỉ tăng 33%. Hệ số ma sát vẫn ổn định và thử nghiệm độ bám dính cho thấy độ bền vượt trội dưới ứng suất uốn.
Trong thử nghiệm bắn thực tế, nòng pháo sử dụng lớp phủ đơn bắn 400 phát liên tiếp và bị nứt lan thành mạng lưới, lớp mạ chrome bắt đầu bong tróc, và rãnh xoắn giúp ổn định đạn bị mòn, làm giảm độ chính xác. Tuy nhiên, nòng pháo dùng lớp phủ kép gần như không thay đổi. Bề mặt của nó vẫn mịn, chỉ có vết nứt nông riêng biệt mà không bị bong tróc lớp mạ hoặc mòn rãnh xoắn.
Tuy nhiên, trước khi ứng dụng kỹ thuật rộng rãi, nhóm nghiên cứu cần giải quyết thách thức mới là mở rộng công nghệ đối với nòng pháo cỡ nhỏ và trung bình có tỷ lệ chiều dài so với đường kính lớn, khi việc duy trì độ dày lớp phủ đồng đều sâu bên trong lỗ hẹp cực kỳ khó khăn.
An Khang (Theo SCMP, Interesting Engineering)
