Từ kiếm thời Tần Thủy Hoàng không gỉ sau 2.000 năm, đến tăng độ bền nòng pháo 100%
Các nhà nghiên cứu biến kỹ thuật chống ăn mòn cổ xưa của Trung Hoa thành giải pháp tiên tiến chống lại hiện tượng mòn nòng pháo.
Các nhà khoa học ở tây bắc Trung Quốc đã tăng gấp đôi tuổi thọ hoạt động của nòng pháo chịu nhiệt độ, áp suất cao bằng cách cải tiến kỹ thuật mạ crôm từng được quân đội Trung Hoa sử dụng từ trước năm 200 trước Công nguyên.
Những thanh kiếm đồng được chôn cùng đội quân đất nung của Tần Thủy Hoàng (vị hoàng đế đầu tiên trong lịch sử Trung Hoa) vẫn sắc bén và không bị gỉ sau hơn 2.000 năm dưới lòng đất.
Phân tích hiển vi cho thấy bề mặt những thanh kiếm này phủ một lớp muối crôm mỏng, chỉ dày khoảng 10 đến 15 micromet, được bảo vệ bởi lớp màng ôxít phía dưới, gần như ngăn chặn hoàn toàn quá trình ăn mòn. Đây được coi là bằng chứng về kỹ thuật xử lý bề mặt tinh vi mà các thợ luyện kim Trung Hoa đã nắm vững.
Theo nghiên cứu đăng trên Acta Armamentarii - tạp chí quốc phòng hàng đầu Trung Quốc, các nhà khoa học đã nâng cấp phương pháp cổ xưa này thành giải pháp tiên tiến nhằm giải quyết một trong những vấn đề nan giải nhất của pháo hiện đại là hiện tượng mòn nòng.
Pháo cỡ lớn và pháo tự hành hiện đại phải chịu điều kiện khắc nghiệt mỗi khi khai hỏa. Bên trong nòng pháo, nhiệt độ có thể vượt quá 3.000 độ C và áp suất đạt đến hàng chục nghìn atmosphere.
Tác động cộng hưởng bởi khí sinh ra từ thuốc phóng, ma sát cơ học do đầu đạn và sốc nhiệt vì bắn liên tục dẫn đến nòng pháo bị mòn nhanh chóng, các vết nứt nhỏ và xuống cấp. Điều này không chỉ làm giảm độ chính xác mà còn tiềm ẩn nguy cơ thảm khốc nếu nòng pháo bị hỏng trong quá trình chiến đấu.
Mạ crôm đơn (một lớp) từ lâu là giải pháp tiêu chuẩn để chống lại sự xuống cấp của nòng pháo. Tuy nhiên, lớp mạ crôm đơn truyền thống thường có ứng suất bên trong cao, độ bám dính kém và dễ xuất hiện các vết nứt sâu, lan rộng, đặc biệt khi pháo bắn liên tục. Khi các vết nứt này xuyên xuống lớp thép bên dưới, quá trình ăn mòn sẽ tăng tốc và lớp crôm sẽ bong tróc.
Ứng suất là khái niệm cơ bản trong cơ học vật liệu, dùng để mô tả lực tác dụng lên một đơn vị diện tích của vật thể.
Để khắc phục vấn đề này, các nhà khoa học Trung Quốc đã phát triển lớp mạ crôm composite kép (hai lớp). Lớp đầu tiên là lớp crôm mềm dạng mờ, được mạ ở nhiệt độ và mật độ dòng điện thấp hơn, giúp tăng độ bền và dẻo, đồng thời giảm lỗ rỗng và ứng suất bên trong.
Trong kỹ thuật và khoa học vật liệu, composite được hiểu là vật liệu tổng hợp, được tạo thành từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau kết hợp lại. Mục đích nhằm tận dụng ưu điểm của từng thành phần để tạo ra một vật liệu có tính năng vượt trội hơn.
Trên nền tảng này, một lớp crôm thứ hai, cứng hơn, được mạ ở mật độ dòng điện và nhiệt độ cao hơn, tạo nên lớp vỏ ngoài chống mài mòn.
Kết quả tạo nên lớp phủ dày 40 micromet, một nửa mềm và một nửa cứng, với ranh giới giữa hai lớp đóng vai trò như hàng rào tự nhiên ngăn chặn sự lan truyền của các vết nứt.
Chặn đứng các vết nứt ngay tại giao diện
Khác với mạ crôm một lớp khi vết nứt có thể lan sâu không kiểm soát được, hệ thống lớp mạ crôm composite kép giúp chặn đứng các vết nứt ngay tại giao diện.
Hình ảnh hiển vi cho thấy lớp ngoài có xuất hiện một số vết nứt ngắn, phân bố rải rác, nhưng chúng hiếm khi xuyên qua lớp dưới mềm hơn.
Đây có thể là công nghệ đầu tiên trên thế giới thuộc loại này.
“Hiện chưa có nghiên cứu nào được công bố về việc kéo dài tuổi thọ nòng pháo có áp suất buồng nổ không dưới 400 megapascal bằng công nghệ mạ crôm composite kép mới đó”, nhóm nghiên cứu do chuyên gia Gao Ying thuộc Viện Cơ khí và Kỹ thuật Điện Tây Bắc ở thành phố Hàm Dương (cố đô của nhà Tần), cho biết.
Megapascal là đơn vị đo áp suất trong hệ đo lường quốc tế (SI). Về cơ bản, megapascal là một phiên bản lớn hơn của đơn vị Pascal cơ bản, được dùng để đo áp suất lớn. 1 megapascal = 1.000.000 pascal.
Trong các thử nghiệm ở phòng thí nghiệm, kết quả rất khả quan. Ở nhiệt độ phòng, lớp mạ crôm composite kép giảm tốc độ mòn 23% nòng pháo so với lớp mạ đơn truyền thống.
Ở nhiệt độ 600 độ C - mô phỏng điều kiện chiến đấu kéo dài, lớp mạ crôm composite kép duy trì tỷ lệ bị mòn thấp hơn 60% so với lớp mạ đơn, hệ số ma sát vẫn ổn định và các thử nghiệm độ bám dính cho thấy khả năng chống chịu uốn cong vượt trội.
Thế nhưng, bài thử nghiệm quan trọng nhất là trên trường bắn.
Tại một cuộc bắn thử, nòng pháo có lớp mạ crôm đơn đã bắn liên tục 400 phát và xuất hiện nhiều vết nứt lan rộng giống mạng nhện. Lớp crôm đơn bắt đầu bong ra và các rãnh xoắn (yếu tố then chốt để ổn định đường bay của đạn) bị mòn, làm giảm độ chính xác.
Trong khi đó, nòng pháo có lớp mạ crôm composite kép hầu như không thay đổi, bề mặt vẫn nhẵn, chỉ xuất hiện vài vết nứt nhỏ và rời rạc, không có hiện tượng bong tróc hay mất rãnh xoắn.
Tăng độ bền nòng pháo hơn 100%
“Kết quả thử nghiệm bắn đã xác nhận rằng, so với mạ crôm đơn truyền thống, công nghệ mạ crôm composite kép giúp tăng tuổi thọ nòng pháo hơn 100%, hiệu quả đặc biệt rõ rệt trong điều kiện nhiệt độ và áp suất buồng nổ cao”, theo Gao Ying và các cộng sự tại Khoa Kỹ thuật Cơ khí thuộc Đại học Chiết Giang (Trung Quốc).
“Công nghệ mới này có giá trị ứng dụng cao với mọi loại nòng pháo. Nó không chỉ phù hợp trong phát triển pháo mới mà còn dùng để nâng cấp trang bị hiện có, qua đó tăng độ tin cậy và kéo dài thời gian phục vụ. Ngoài ra, công nghệ đó còn góp phần thúc đẩy xu hướng làm nhẹ pháo, mở ra triển vọng ứng dụng rộng rãi trong tương lai”, Gao Ying nói.
Pháo chịu nhiệt và áp suất cao, có thể bắn đạn với tốc độ siêu thanh và tầm xa, là nền tảng của hệ thống chiến tranh tương lai. Những khẩu pháo này có thể tạo ra năng lượng động học khủng khiếp, xuyên thủng các vị trí kiên cố, có thể phóng đạn thông minh (tự dẫn đường, nhận diện mục tiêu hoặc điều chỉnh quỹ đạo để bay chính xác hơn – PV) hoặc máy bay không người lái (drone) từ khoảng cách xa mục tiêu.
Tuy nhiên, công việc vẫn chưa kết thúc. Các nhà khoa học nay đối mặt với thử thách mới: Đưa công nghệ này áp dụng cho nòng pháo cỡ nhỏ và trung, vốn có tỷ lệ chiều dài trên đường kính lớn. Với những loại nòng này, việc duy trì độ dày lớp mạ crôm đồng nhất ở sâu bên trong các nòng hẹp là cực kỳ khó khăn.
Mục tiêu là thiết lập một “tiêu chuẩn công nghiệp toàn diện”, gồm mọi bước từ xử lý bề mặt ban đầu (làm sạch, đánh bóng) đến làm kín lớp mạ crôm, với quy trình kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt và có khả năng truy xuất nguồn gốc rõ ràng, theo nhóm của Gao Ying.