โลหะอัลลอยชนิดใหม่ อุณภูมิ 1,200 องศา ก็ไม่แตก ไม่ร้าว

นักวิจัยจากสหรัฐอเมริกาได้ ค้นพบโลหะอัลลอย (metal alloy) หรือโลหะผสมชนิดใหม่ สุดแข็งแกร่งที่ไม่เกิดรอยแตกร้าวแม้เผชิญกับอุณหภูมิสูง 1,200 องศาเซลเซียส ด้วยการใช้เทคโนโลยีการบิดงอ (kinking) ของผลึกระดับอะตอม ซึ่งจะเป็นประโยชน์อย่างยิ่งต่อการนำมาสร้างเครื่องจักรต่าง ๆ ในอนาคต

การวิจัยดังกล่าวดําเนินการโดยทีมนักวิจัยที่นําโดยโรเบิร์ต ริตชี (Robert Ritchie) จากห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอว์เรนซ์ เบิร์กลีย์ (Lawrence Berkeley National Laboratory) และมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ (UC Berkeley) ร่วมกับคณะจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เออร์ไวน์ (UC Irvine) และมหาวิทยาลัยเท็กซัส เอแอนด์เอ็ม (Texas A&M University)

โลหะอัลลอยนี้ประกอบด้วยธาตุไนโอเบียม (Niobium) แทนทาลัม (Tantalum) ไทเทเนียม (Titanium) และแฮฟเนียม (hafnium) นอกจากนี้ ทีมนักวิจัยยังกล่าวว่ามันเป็นหนึ่งในประเภทโลหะชนิดใหม่ ที่เรียกว่า “อัลลอยเอ็นโทรพี” ที่ทนความร้อนสูงระดับปานกลางถึงระดับสูง (Refractory high or medium entropy alloys: RHEAs หรือ RMEAs) หรือโลหะผสมที่เกิดจากธาตุโลหะในปริมาณที่ใกล้เคียงกันที่จุดหลอมเหลวที่มีอุณหภูมิสูงมาก ต่างจากโลหะอัลลอยที่ใช้ในงานเชิงพาณิชย์หรือด้านอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ ที่ผลิตด้วยการผสมโลหะหลักชนิดหนึ่งเข้ากับส่วนผสมอื่น ๆ ในปริมาณเล็กน้อยเท่านั้น

ด้วยเหตุนี้ โลหะอัลลอยชนิดใหม่จึงมีคุณสมบัติเฉพาะตัว หรือก็คือความสามารถในการทนความร้อนสูงได้อย่างยอดเยี่ยม ซึ่งทางทีมนักวิจัยได้ติดตามศึกษาเป็นเวลาหลายปี โดย พูนิต กูมาร์ (Punit Kumar) หนึ่งในสมาชิกของทีมวิจัย กล่าวว่า การวิจัยของพวกเขาก่อนหน้านี้แสดงให้เห็นว่า RHEAs หรือ RMEAs มีจุดอ่อนที่สำคัญ คือ ความแตกร้าวง่าย เนื่องจาก RMEAs ส่วนใหญ่มีความความต้านทานการแตกหักน้อยกว่า 10 เมกาปาสกาลสแควร์รูตเมตร (MPa√m) 

ซึ่งถ้าหากเปรียบเทียบความแข็งแกร่งของโลหะอัลลอยชนิดใหม่นี้ เหล็กไครโยเจนิก (cryogenic steel) ที่ได้รับออกแบบมาเป็นพิเศษเพื่อต้านทานการแตกหักชนิดที่ดีที่สุดและมีความแข็งแรงกว่า RMEAs ประมาณ 20 เท่า ก็ยังเป็นรองให้กับโลหะอัลลอยที่เพิ่งค้นพบใหม่ที่แข็งแกร่งกว่า RMEAs 25 เท่า ณ อุณหภูมิห้อง 

นอกจากนี้ นักวิจัยยังได้ประเมินความแข็งแรงและความต้านทานการแตกหักที่อุณหภูมิ 5 ระดับ ได้แก่ อุณหภูมิ 196 องศาเซลเซียส หรืออุณหภูมิของไนโตรเจนเหลว อุณหภูมิ 25 องศาเซลเซียส หรืออุณหภูมิห้อง อุณหภูมิ 800 องศาเซลเซียส อุณหภูมิ 950 องศาเซลเซียสและอุณหภูมิ 1200 องศาเซลเซียส ซึ่งเกือบเทียบเท่ากับ 1/5 ของอุณหภูมิบนพื้นผิวดวงอาทิตย์ ที่มีอุณหภูมิพื้นผิวประมาณ 6,000 องศาเซลเซียส พบว่าโลหะผสมมีความแข็งแกร่งสูงสุดท่ามกลางอุณหภูมิต่ำและ ประสิทธิภาพลดลงเล็กน้อยเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ส่วนความต้านทานการแตกหักอยู่ในระดับสูงในทุกสภาพอุณหภูมิที่ได้รับการทดสอบ

ข้อมูลในระดับอิเล็กตรอนยังเผยอีกว่า คุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมข้างต้นนี้เป็นผลลัพธ์ที่เกิดขึ้นอย่างไม่คาดคิดจากสิ่งที่เรียกว่า “บิดงอ” (kinking) ของผลึกระดับอะตอม โดยมันเป็นข้อบกพร่องที่พบได้ยากเกิดขึ้น เมื่อมีแรงกระทำต่อแถบผลึกของธาตุโลหะทำให้เกิดการยุบตัวและโค้งงออย่างกะทันหัน อย่างไรก็ดี การบิดงอที่ว่านี้กลับช่วยต้านทานการแพร่กระจายของรอยแตกด้วยการกระจายความเสียหายออกไป ป้องกันการแตกหัก ทำให้มีค่าความต้านทานการแตกหักที่สูงเป็นพิเศษ

แน่นอนว่าโลหะอัลลอยใหม่นี้จะเป็นประโยชน์อย่างมากทั้งทางพาณิชย์และทางอุตสาหกรรมในอนาคต โดยทีมงานจะทำการทดสอบและวิจัยอีกจำนวนมากก่อนที่จะนำโลหะดังกล่าวมาสรรค์สร้างเป็นสิ่งใหม่ เช่น ใบพัดเครื่องบินเจ็ทหรือหัวฉีดเครื่องยนต์ (rocket nozzle) ของจรวด SpaceX

ที่มาข้อมูล interestingengineering