Radiofrequency plasma spheroidization of lightweight complex concentrated superalloy Al10Nb20Ta15Ti30V5Zr20

एरोस्पेस इंजीनियरिंग की दुनिया लगातार एक कठिन सीमा से टकरा रही है: जेट इंजनों और अंतरिक्ष यान के निर्माण में उपयोग की जाने वाली सामग्रियों का गलनांक (melting point)। दशकों से, उद्योग निकल-आधारित सुपरअलॉय (nickel-based superalloys) पर निर्भर रहा है, जो अविश्वसनीय रूप से मजबूत होते हैं लेकिन जैसे ही तापमान 1,200 डिग्री सेल्सियस के करीब पहुँचता है, वे अपनी संरचनात्मक अखंडता खोने लगते हैं। अधिक ऊँचा और तेज़ उड़ने के लिए, इंजीनियरों को ऐसी सामग्रियों की आवश्यकता है जो इससे भी अधिक अत्यधिक गर्मी को सहन कर सकें। इसने 'रिफ्रैक्टरी कॉम्प्लेक्स कंसन्ट्रेटेड अलॉय' (refractory complex-concentrated alloys) नामक धातुओं के एक नए वर्ग के विकास का मार्ग प्रशस्त किया है। ये केवल दो या तीन धातुओं के साधारण मिश्रण नहीं हैं; ये टेंटलम, नियोबियम और टाइटेनियम जैसे पांच या अधिक भारी, ताप-प्रतिरोधी तत्वों के जटिल मिश्रण हैं। लक्ष्य एक ऐसी सामग्री बनाना है जो अति-उच्च तापमान पर न केवल अधिक मजबूत हो, बल्कि उन निकल अलॉय की तुलना में हल्की भी हो जिन्हें वे बदलने का लक्ष्य रखते हैं, जिससे विमान का कुल वजन कम हो सके।

हालाँकि, इन जटिल व्यंजनों को उपयोगी पुर्जों में बदलना एक बड़ी बाधा है। आधुनिक 3D प्रिंटिंग, जिसे एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग (additive manufacturing) के रूप में जाना जाता है, का उपयोग करके इन अलॉय का निर्माण करने के लिए, इंजीनियरों को कच्चे माल के रूप में महीन, पूरी तरह से गोल पाउडर की आवश्यकता होती है। यदि पाउडर के कण टेढ़े-मेढ़े या अनियमित होंगे, तो वे प्रिंटिंग मशीन के माध्यम से सुचारू रूप से नहीं बह पाएंगे, जिससे अंतिम वस्तु में कमजोर बिंदु और दोष उत्पन्न होंगे। इन पाउडरों को बनाना अत्यंत कठिन है क्योंकि इसमें शामिल तत्व इतने प्रतिक्रियाशील हैं और उनके गलनांक इतने उच्च हैं कि पारंपरिक विधियाँ अक्सर एक स्वच्छ, गोलाकार उत्पाद बनाने में विफल रहती हैं। चेक गणराज्य के शोधकर्ताओं की एक टीम ने हाल ही में इस समस्या का समाधान करने के लिए दो अलग-अलग प्रक्रियाओं को मिलाकर इस पर काम किया है: पहले, कच्चे धातु तत्वों को एक खुरदरे पाउडर में पीसना, और दूसरा, कणों को पूर्ण गोलों के रूप में आकार देने और उन्हें पिघलाने के लिए गैस की एक अत्यधिक गर्म जेट का उपयोग करना।

शोधकर्ताओं ने एल्युमीनियम, नियोबियम, टेंटलम, टाइटेनियम, वैनेडियम और जिरकोनियम वाले एक विशिष्ट अलॉय नुस्खे से शुरुआत की। उन्होंने छह तत्वों के कच्चे पाउडर को एक हाई-एनर्जी मिल में 48 घंटों तक पीसकर शुरुआत की। यह प्रक्रिया, जिसे मैकेनिकल अलॉयिंग (mechanical alloying) कहा जाता है, विभिन्न धातु कणों को सूक्ष्म स्तर पर एक साथ बांधने और मिलाने के लिए मजबूर करती है। इसका परिणाम एक ऐसा पाउडर था जो रासायनिक रूप से समान था लेकिन भौतिक रूप से टेढ़ा-मेढ़ा और अनियमित था, बिल्कुल कुचले हुए बजरी की तरह। हालाँकि इस मिश्रण में सही सामग्रियां मौजूद थीं, लेकिन यह अपने वर्तमान रूप में 3D प्रिंटिंग के लिए बेकार था। टीम ने इस खुरदरे पाउडर को एक विशेष मशीन में डाला जो रेडियो-फ्रीक्वेंसी प्लाज्मा का उपयोग करती है, जो लगभग 10,000 डिग्री सेल्सियस के तापमान वाला आयनित गैस का प्रवाह है। जैसे ही टेढ़े-मेढ़े कण इस तीव्र गर्मी के बीच से गुजरे, वे तुरंत पिघल गए। एक बार तरल होने के बाद, सतह के तनाव (surface tension) के प्राकृतिक बल ने तरल धातु की बूंदों को पूर्ण गोलों में खींच लिया, ठीक वैसे ही जैसे अंतरिक्ष में पानी की एक बूंद एक गेंद का रूप ले लेती है। इसके बाद कण इतनी तेज़ी से ठंडे हुए कि वे इस गोलाकार आकार में जम गए, जो एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग के लिए तैयार थे।

यह परिवर्तन काफी हदतः सफल रहा। परिणामी पाउडर में लगभग पूर्ण गोले थे जिनका आकार वितरण प्रिंटिंग के लिए आदर्श था, और संग्रह कक्ष के नीचे गिरने वाले कणों का औसत आकार लगभग 39 माइक्रोमीटर था। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह प्रक्रिया मिश्रण में मौजूद सबसे जिद्दी, उच्च-गलनांक वाले तत्वों को पिघलाने के लिए पर्याप्त अच्छी थी। हालाँकि, यह यात्रा बाधाओं रहित नहीं थी। जबकि पाउडर का आकार सुधर गया था, रासायनिक शुद्धता पूर्ण नहीं थी। विश्लेषण से पता चला कि पाउडर में मूल कच्चे माल की तुलना में ऑक्सीजन और नाइट्रोजन का स्तर अधिक था। यह संदूषण संभवतः इसलिए हुआ क्योंकि छोटे कण, प्लाज्मा के माध्यम से उड़ते समय, स्पंज की तरह कार्य कर रहे थे और आसपास के वातावरण से गैसों को सोख रहे थे। इन अतिरिक्त तत्वों की उपस्थिति महत्वपूर्ण थी; इसने अंतिम पाउडर के कणों को उम्मीद से अधिक कठोर बना दिया, एक ऐसी घटना जिसे शोधकर्ताओं ने केवल अलॉय की संरचना के बजाय इन फंसे हुए गैसों के सुदृढ़ीकरण प्रभाव के रूप में बताया।

नए बने गोलों के भीतर, शोधकर्ताओं ने एक जटिल आंतरिक संरचना की खोज की। कुछ कण एकसमान थे, जबकि अन्य में दो अलग-अलग चरणों (phases) का एक विशिष्ट पैटर्न दिखाई दिया, ठीक वैसे ही जैसे किसी ठंडे पेय में बर्फ के क्रिस्टल बनते हैं। एक चरण एल्युमीनियम और जिरकोनियम से समृद्ध था, जबकि दूसरा टेंटलम और नियोबियम के प्रभुत्व वाला था। यह अलगाव इसलिए हुआ क्योंकि कण इतनी तेज़ी से ठंडे हुए कि ठोस होने से पहले विभिन्न तत्वों को पूरी तरह से मिश्रित होने का समय नहीं मिला। टीम ने जिरकोनियम और कार्बन से बने यौगिक के छोटे, सुई जैसे क्रिस्टल भी पाए जो धातु के भीतर अंतर्निहित थे। ये क्रिस्टल इसलिए बने क्योंकि पीसने की प्रक्रिया के दौरान उपयोग किए गए थोड़े से इथेनॉल ने, जिसका उपयोग पाउडर को आपस में चिपकने से रोकने के लिए किया गया था, मिश्रण में कार्बन पेश किया। प्लाज्मा की तीव्र ऊष्मा के दौरान कार्बन फिर जिरकोनियम के साथ बंध गया।

अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि पीसने और फिर पिघलाने की यह विधि अगली पीढ़ी की एयरोस्पेस सामग्रियों के लिए आवश्यक उच्च गुणवत्ता वाले पाउडर बनाने का एक व्यवहार्य मार्ग है। प्रक्रिया ने सफलतापूर्वक टेढ़े-मेढ़े, अनियमित धातु के धूल को चिकने, गोलाकार फीडस्टॉक में बदल दिया जिसे 3D प्रिंटर में उपयोग किया जा सकता है। फिर भी, शोधकर्ताओं ने चेतावनी दी है कि पूर्णता की राह अभी पूरी नहीं हुई है। अवांछित गैसों की उपस्थिति और अप्रत्याशित कार्बन यौगिकों का निर्माण यह सुझाव देता है कि अंतिम सामग्री की रासायनिक शुद्धता सुनिश्चित करने के लिए प्रक्रिया को और अधिक परिष्कृत करने की आवश्यकता है। टीम इस बात पर जोर देती है कि इन उन्नत अलॉयों को उनकी पूरी क्षमता तक पहुँचने के लिए, गैस वातावरण की शुद्धता और उपकरणों की स्वच्छता को नियंत्रित करना तापमान को नियंत्रित करने जितना ही महत्वपूर्ण है। इन सूक्ष्म विवरणों को समझकर, इंजीनियर ऐसे विमान के पुर्जे प्रिंट करने के करीब पहुँच सकते हैं जो हल्के, अधिक मजबूत और उन वातावरणों में काम करने में सक्षम हों जहाँ पहुँचना पहले असंभव था।