Startup Mỹ tạo cú sốc cho ngành luyện kim: Không cần lò nung 3.000 độ C vẫn chế tạo được siêu hợp kim cho máy bay tiêm kích F-35 và tên lửa

Kể từ thời kỳ đồ đồng, phương thức chế tạo hợp kim của nhân loại hầu như không có sự thay đổi cốt lõi nào. Suốt hơn ba nghìn năm qua, con người vẫn duy trì một quy trình quen thuộc là bỏ các loại kim loại vào lò nung, đốt nóng cho đến khi chúng nóng chảy, trộn lẫn vào nhau rồi chờ nguội.

Tuy nhiên, một công ty khởi nghiệp của Mỹ mang tên Foundation Alloy đã quyết định thay đổi hoàn toàn cuộc chơi này. Họ loại bỏ hoàn toàn yếu tố nhiệt độ cao và quá trình nóng chảy, thay vào đó là sử dụng áp lực cơ học cực mạnh để tác động trực tiếp lên bột kim loại.

Bằng cách đưa bột của các loại kim loại khác nhau vào máy nghiền bi, doanh nghiệp này đã thực hiện các chu kỳ va đập liên tục với năng lượng cao cho đến khi các nguyên tử tự hòa nhập vào nhau ở cấp độ hạt để tạo ra một loại vật liệu mới.

Ý tưởng mang tính cách mạng này đã giúp Foundation Alloy thành công thu hút 22 triệu đô la trong vòng gọi vốn Series A từ các nhà đầu tư lớn như Voyager Ventures, Yamaha và quỹ America’s Frontier Fund. Hiện tại, các sản phẩm kim loại độc đáo của họ đã bắt đầu được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất khuôn mẫu ô tô, linh kiện máy bay không người lái, thiết bị bán dẫn, dao bếp cao cấp và đồng hồ xa xỉ.

Trong ngành luyện kim truyền thống, rào cản lớn nhất khi chế tạo hợp kim chính là sự chênh lệch về nhiệt độ nóng chảy giữa các thành phần cấu tạo. Ví dụ, kim loại vonfram có điểm nóng chảy lên tới 3400 độ C, trong khi đồng chỉ nóng chảy ở mức 1085 độ C.

Nếu cố gắng nung chảy chúng cùng nhau theo cách cũ, đồng sẽ bị bay hơi hoàn toàn trước khi vonfram kịp hóa lỏng. Quy trình xử lý ở trạng thái rắn của Foundation Alloy đã giải quyết triệt để điểm yếu chí mạng này do không phụ thuộc vào sự nóng chảy hay yêu cầu sự tương đồng về nhiệt độ hóa lỏng. Việc liên kết cơ học các hạt bột giúp giảm mức tiêu thụ năng lượng tới một bậc so với lò nung thông thường, đồng thời nén ngắn chu kỳ sản xuất từ vài tháng xuống chỉ còn vài ngày.

Nền tảng kỹ thuật của startup này bắt nguồn từ các công trình nghiên cứu kéo dài hai mươi năm qua tại viện công nghệ MIT và đại học California tại Irvine. Các nhà khoa học vật liệu đã chứng minh rằng kim loại ở quy mô nano sở hữu những đặc tính hành vi hoàn toàn khác biệt so với quy mô vĩ mô.

Kích thước hạt tinh thể càng nhỏ thì vật liệu càng có độ bền và độ dẻo dai cao, nhưng việc duy trì cấu trúc vi mô này không bị biến đổi trong quá trình xử lý lại vô cùng phức tạp. Hợp kim truyền thống sau khi nóng chảy thường có kích thước hạt tinh thể ở mức vài chục micromet, trong khi công nghệ của FoundAlloy có thể thu nhỏ kích thước này xuống chỉ còn khoảng 100 nanomet.

Sự nhảy vọt về mặt hiệu suất này mang lại những kết quả rất trực quan khi độ bền của kim loại có thể tăng gấp đôi và độ dẻo tăng lên nhiều lần. Đối với các hợp kim molybdê truyền thống, vật liệu phải trải qua tới mười bước xử lý sau nung mới có thể đạt được độ dẻo ở nhiệt độ phòng.

Ngược lại, dòng sản phẩm MC700 của Foundation Alloy có thể uốn cong ngay sau khi ra lò với độ bền kéo vượt quá 1200 megapascal và độ giãn dài đạt tới 35%.

Quy trình công nghệ của FoundAlloy được chuẩn hóa qua bốn bước nghiêm ngặt. Bước đầu tiên là thiết kế công thức tối ưu thông qua hệ thống cơ sở dữ liệu nội bộ.

Bước thứ hai là hợp kim hóa cơ học, trong đó bột kim loại được nạp vào máy nghiền bi năng lượng cao và bị va đập liên tục bởi các viên bi thép để kích thích sự khuếch tán nguyên tử ở trạng thái rắn, quá trình này được kiểm soát lượng oxy và tạp chất theo một bằng sáng chế độc quyền.

Bước thứ ba là ép bột hợp kim thành các phôi có hình dạng tiệm cận với sản phẩm cuối cùng nhằm giảm thiểu lãng phí vật liệu.

Bước cuối cùng là thiêu kết ở nhiệt độ thấp để làm đặc cấu trúc bột mà không cần chạm tới điểm nóng chảy của kim loại. Toàn bộ dây chuyền sản xuất này đều được điện hóa và thực hiện hoàn toàn tại Mỹ mà không cần dùng đến các lò sưởi đốt bằng khí tự nhiên.

Sản phẩm biểu tượng của công ty là MC1200, được ghi nhận là hợp kim molybdê mạnh nhất trong các dữ liệu công khai hiện nay. Khi bị nung nóng liên tục ở nhiệt độ 1000 độ C suốt 96 giờ, tỷ lệ duy trì độ cứng của MC1200 vẫn đạt trên 97%, vượt trội hoàn toàn so với các loại thép công cụ thông thường vốn sẽ bị suy giảm đặc tính rất nhanh ở mức nhiệt này.

Độ ổn định nhiệt vượt trội này giúp kéo dài tuổi thọ của các khuôn đúc áp lực trong ngành sản xuất ô tô lên nhiều lần, giảm thiểu tần suất dừng máy để thay thế thiết bị và tiết kiệm chi phí vận hành lớn cho doanh nghiệp do tránh được hiện tượng mỏi nhiệt và ăn mòn dưới áp suất cao.

Trong lĩnh vực quân sự và hàng không vũ trụ, công nghệ này cũng mở ra những hướng đi mới đầy tiềm năng. Đối với việc cung cấp linh kiện cho tiêm kích F-35, tiêu chuẩn sản xuất có thể chỉ giới hạn ở mức 100 linh kiện hoàn hảo mỗi năm.

Tuy nhiên, thị trường máy bay không người lái đòi hỏi sản lượng lên tới 100.000 sản phẩm mỗi năm với yêu cầu chất lượng khắt khe tương đương nhằm chống chịu sự thay đổi nhiệt độ và va đập đột ngột. Vật liệu của FoundAlloy có thể đáp ứng đồng thời cả hai tiêu chí về độ bền và khả năng chịu nhiệt mà không bắt buộc kỹ sư phải thỏa hiệp chọn một trong hai.

Thêm vào đó, đặc tính đẳng hướng của vật liệu giúp loại bỏ sự phân tách hướng tính của hợp kim molybdê rèn truyền thống, đơn giản hóa quá trình thiết kế cấu trúc động cơ tên lửa và vệ tinh.

Ở thị trường dân dụng, các lưỡi dao bếp cao cấp sử dụng thép của công ty có khả năng giữ cạnh sắc tốt hơn nhiều và không bị cuốn lưỡi khi cắt các thực phẩm cứng. Các thương hiệu đồng hồ xa xỉ cũng đánh giá cao khả năng chống ăn mòn và độ ổn định kích thước lâu dài của vật liệu này cho các chi tiết chuyển động bên trong bộ máy cơ học.

Người sáng lập doanh nghiệp, Jake Guglin, từng có kinh nghiệm điều hành và sản xuất tại SpaceX và Blue Origin trước khi hoàn thành chương trình MBA tại trường Sloan thuộc MIT. Trong quá trình làm việc tại ngành hàng không vũ trụ, ông nhận ra lỗ hổng lớn nhất nằm ở chính vật liệu, khi lực đẩy của tên lửa bị giới hạn bởi mức nhiệt mà bơm tuabin có thể chịu đựng.

Ông từng chứng kiến chuỗi cung ứng tại SpaceX bị nghẹt lại suốt vài tháng trời chỉ vì thiếu một linh kiện hợp kim đặc chủng để lắp ráp động cơ. Do đó, mục tiêu của FoundAlloy là rút ngắn chu kỳ từ công thức đến linh kiện hoàn chỉnh từ một năm xuống chỉ còn vài tuần.

Hiện tại, rào cản lớn nhất của công ty là vấn đề sản lượng khi lượng cầu vượt quá cung, và vòng gọi vốn mới sẽ được tập trung đầu tư để nâng năng lực sản xuất từ mức vài kilôgam lên quy mô vài tấn mỗi tuần trước năm 2027.