Effect of ultrasonic impact treatment on microstructure and properties of Ti6Al4V titanium alloy manufactured by laser directed energy deposition
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि लेजर-डायरेक्टेड एनर्जी डिपोजिटेड Ti6Al4V कोटिंग्स पर अल्ट्रासोनिक इम्पैक्ट ट्रीटमेंट लागू करने से चरण संरचना (फेज कंपोजिशन) को बदले बिना सूक्ष्म संरचना और सतह की गुणवत्ता परिष्कृत होती है, जिससे ग्रेन बाउंड्री और प्लास्टिक विरूपण सुदृढ़ीकरण के माध्यम से घिसाव और संक्षारण प्रतिरोध में महत्वपूर्ण वृद्धि होती है।
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एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ हम भारी-भरकम मशीनरी के जटिल धातु के पुर्जों को परत-दर-परत बना सकते हैं, जैसे कि हवाई जहाजों और रॉकेटों में इस्तेमाल होने वाले 3D प्रिंटर के लिए। यह तकनीक, जिसे लेजर डायरेक्टेड एनर्जी डिपोजिशन (LDED) कहा जाता है, महंगे और टूटे हुए पुर्जों को पिघलाए बिना उन्हें ठीक करने का एक क्रांतिकारी तरीका है। हालाँकि, ठीक वैसे ही जैसे एक केक ऊपर से एकदम बढ़िया उठता है लेकिन उसका ऊपरी हिस्सा ऊबड़-खाबड़ और असमान हो सकता है, इन 3D-प्रिंटेड धातु के पुर्जों की सतह अक्सर खुरदरी और आंतरिक रूप से कमजोर निकलती है। ये पुर्जे टेढ़े-मेढ़े किनारों वाले हो सकते हैं या इनमें छिपी हुई तनाव रेखाएं (stress lines) हो सकती हैं जो काम के दौरान इनके घिसने या जंग लगने के प्रति संवेदनशील बनाती हैं। इसे ठीक करने के लिए, वैज्ञानिक "सतह सुदृढ़ीकरण" (surface strengthening) का उपयोग करते हैं, जो धातु को चिकना बनाने और उसे अधिक मजबूत बनाने के लिए एक उच्च-तकनीकी मालिश देने जैसा है। इस प्रकार की मालिश का एक विशिष्ट प्रकार उच्च-आवृत्ति वाली ध्वनि तरंगों (high-frequency sound waves) का उपयोग करता है जो सतह पर थपथपाती है, जो कि एक बहुत तेज़, सूक्ष्म हथौड़े द्वारा धातु पर लाखों बार प्रहार करने जैसा है जो इसकी आंतरिक संरचना को पुनर्गठित कर देता है। बड़ा सवाल यह है कि हमें कितनी ज़ोर से प्रहार करना चाहिए? यदि बहुत हल्का प्रहार किया गया, तो कुछ नहीं बदलेगा; यदि बहुत ज़ोर से किया गया, तो आप सतह को नुकसान पहुँचा सकते हैं। एक आदर्श "थपकी" (tap) खोजना महत्वपूर्ण है ताकि ये पुर्जे लंबे समय तक चल सकें और बेहतर प्रदर्शन कर सकें।
यह शोध पत्र बिल्कुल इसी समस्या पर गहराई से विचार करता है, जो एक अत्यंत मजबूत धातु मिश्र धातु (alloy) Ti6Al4V पर केंद्रित है, जो एयरोस्पेस उद्योग का एक पसंदीदा विकल्प है। शोधकर्ताओं ने लेजर 3D प्रिंटिंग विधि का उपयोग करके इस मिश्र धातु की परतें बनाईं और फिर उन्हें विभिन्न शक्ति स्तरों पर अल्ट्रासोनिक इम्पैक्ट ट्रीटमेंट (UIT) के साथ उपचारित किया। इस UIT शक्ति को एक स्पीकर के वॉल्यूम नॉब की तरह समझें, लेकिन ध्वनि के बजाय, यह सूक्ष्म हथौड़े की थपकी के बल को नियंत्रित करता है। उन्होंने पांच अलग-अलग "वॉल्यूम" का परीक्षण किया: 0 W (कोई थपकी नहीं), 400 W, 600 W, 800 W, और 1000 W। उनका लक्ष्य यह देखना था कि विभिन्न थपथपाने की ताकत ने धातु के रूप, इसकी आंतरिक दानेदार संरचना (grain structure) और घर्षण (wear) तथा जंग (corrosion) के प्रति इसके प्रतिरोध को कैसे बदला।
परिणाम काफी स्पष्ट थे, जो लगभग धातु की एक आदर्श फिनिश के लिए एक रेसिपी की तरह थे। सबसे पहले, थपथपाने से धातु की रासायनिक संरचना नहीं बदली; यह अभी भी वही मिश्र धातु थी। हालाँकि, इसने चीजों को चिकना करने का शानदार काम किया। अनुपचारित धातु की सतह ऊबड़-खाबड़, लहरदार और छोटे उभारों वाली थी। जैसे-जैसे थपथपाने की शक्ति बढ़ी, ये उभार दबकर चपटे हो गए और सतह बहुत चिकनी हो गई। दिलचस्प बात यह है कि उन्होंने पाया कि शक्ति को बढ़ाकर 1000 W करना सबसे सटीक बिंदु (sweet spot) था। यदि वे इससे अधिक जाते (हालाँकि इस अध्ययन में इससे अधिक का परीक्षण नहीं किया गया था), तो उन्हें संदेह था कि यह सतह को फिर से नुकसान पहुँचाना शुरू कर सकता है, लेकिन 1000 W पर, सतह सबसे चिकनी और एकसमान थी।
धातु के भीतर की कहानी और भी रोमांचक है। लेजर प्रिंटिंग प्रक्रिया आमतौर पर धातु में लंबे, स्तंभ-नुमा दानों (column-like grains) को छोड़ देती है जो एक दिशा में बढ़ते हैं, जैसे कि लंबे, पतले पेंसिल का ढेर। ये लंबे दाने धातु को कुछ दिशाओं में कमजोर बना सकते हैं। अल्ट्रासोनिक थपथपाने ने एक विशाल 'ग्रेन रिफाइनर' की तरह काम किया, जो उन लंबे स्तंभों को छोटे, महीन दानों में तोड़ देता है। जितनी अधिक शक्ति होती, दाने उतने ही छोटे और एकसमान होते जाते। 1000 W पर, दाने सबसे महीन थे, जिससे एक घना और सघन ढांचा तैयार हुआ। यह महत्वपूर्ण है क्योंकि छोटे दाने धातु को कठोर और मजबूत बनाते हैं, ठीक वैसे ही जैसे छोटी, कसकर फिट की गई ईंटों वाली दीवार, बड़ी और ढीली पत्थरों वाली दीवार की तुलना में अधिक मजबूत होती है।
जब उन्होंने परीक्षण किया कि धातु घर्षण (wear) के प्रति कितनी अच्छी तरह प्रतिरोध करती है, तो 1000 W वाला नमूना विजेता रहा। अनुपचारित धातु का घर्षण गुणांक (friction coefficient) लगभग 0.2216 था और यह जल्दी घिस गई। लेकिन 1000 W उपचारित नमूना? इसका घर्षण घटकर 0.1917 हो गया, और परीक्षण के दौरान इसका वजन सबसे कम (लगभग 0.3 मिलीग्राम) कम हुआ। 1000 W वाले नमूने पर घर्षण के निशान उथले और चिकने थे, जो केवल 4.7 μm गहरे थे, जबकि अनुपचारित नमूने पर गहरे, खुरदरे खांचे (24.5 μm) थे। ऐसा लग रहा था जैसे थपथपाने ने धातु को एक सुपर-शील्ड दे दी हो, जिससे अन्य सतहों के लिए इसे खरोंचना या घिसना बहुत कठिन हो गया।
धातु को जंग से लड़ने की क्षमता में भी बढ़ावा मिला। एक नमकीन पानी के परीक्षण में, अनुपचारित धातु का संक्षारण विभव (corrosion potential) -0.663 V था, जो जंग लगने की उसकी तत्परता का एक माप है। 1000 W उपचारित नमूने ने इसे बदलकर -0.530 V कर दिया, जिसका अर्थ है कि यह बहुत अधिक स्थिर था और इसके संक्षारित होने की संभावना बहुत कम थी। शोधकर्ताओं ने पाया कि थपथपाने ने सतह पर एक बेहतर, अधिक एकसमान सुरक्षात्मक फिल्म बनाने में मदद की, जिससे नमकीन पानी को अंदर जाने से रोका जा सका। इस फिल्म का विद्युत प्रतिरोध 1000 W वाले नमूने के लिए उच्चतम था, जो इस बात की पुष्टि करता है कि यह जंग को दूर रखने में सबसे अच्छा था।
संक्षेप में, शोध पत्र निष्कर्ष निकालता है कि जबकि लेजर प्रिंटिंग एक बेहतरीन आधार बनाता है, 1000 W का अल्ट्रासोनिक इम्पैक्ट ट्रीटमेंट जोड़ना इसे और भी बेहतर बनाने का "सीक्रेट सॉस" (secret sauce) है। यह सतह को चिकना करता है, आंतरिक दानों को एक महीन, मजबूत संरचना में बदल देता है, और घर्षण एवं जंग दोनों के खिलाफ एक मजबूत ढाल बनाता है। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि यह विशिष्ट शक्ति स्तर इन धातु कोटिंग्स को बेहतर बनाने के लिए इष्टतम सेटिंग है, जो उच्च-मूल्य वाले एयरोस्पेस पुर्जों को लंबे समय तक चलाने और बेहतर प्रदर्शन करने का एक आशाजनक तरीका प्रदान करता है।
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