Development of W-Modified FeMnNiCoCr High-Entropy Alloy by Wire Arc Additive Manufacturing

द मेटल मिक्सटेप: एक नए ट्विस्ट के साथ मजबूत मिश्र धातुओं का निर्माण

कल्पना कीजिए कि आप एक शेफ हैं जो बेहतरीन सूप बनाने की कोशिश कर रहे हैं। पुराने दिनों में, आप शायद एक मुख्य सामग्री चुनते, जैसे चिकन, और बस कुछ मसाले मिला देते। लेकिन आधुनिक सामग्री विज्ञान (मटेरियल साइंस) की दुनिया में, एक चलन है जिसे "हाई-एन्ट्रॉपी अलॉय" (HEAs) कहा जाता है। इन्हें केवल एक मुख्य सामग्री वाले सूप के रूप में नहीं, बल्कि एक "किचन सिंक" स्टू के रूप में सोचें जहाँ आप लगभग समान मात्रा में पाँच या अधिक अलग-अलग धातुओं को मिलाते हैं। इसमें कोई एक धातु हावी होने के बजाय, वे सभी एक अराजक लेकिन स्थिर पार्टी में एक साथ रहते हैं, जिससे एक ऐसी सामग्री बनती है जो पारंपरिक धातुओं की तुलना में अक्सर अधिक सख्त, लचीली और गर्मी प्रतिरोधी होती है।

इस परिवार का एक प्रसिद्ध नुस्खा "कैंटर अलॉय" (Cantor alloy) है, जो आयरन, मैंगनीज, निकल, कोबाल्ट और क्रोमियम का मिश्रण है। यह एक क्लासिक, भरोसेमंद व्यंजन की तरह है जिसे इंजीनियर पसंद करते हैं क्योंकि यह आसानी से नहीं टूटता, चाहे चीजें गर्म हों या ठंडी। लेकिन कभी-कभी, आप रेसिपी को अपग्रेड करना चाहते हैं। आप एक गुप्त सामग्री जोड़ना चाहते हैं जो धातु को कांच की तरह भंगुर बनाए बिना उसे और कठोर और मजबूत बना दे। यहीं पर "एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग" काम आती है। आप इसे 3D प्रिंटिंग के रूप में जानते होंगे, लेकिन बड़ी धातु के हिस्सों के लिए, इसे अक्सर "वायर आर्क एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग" (WAAM) नामक एक विशाल, स्वचालित वेल्डिंग टॉर्च के साथ किया जाता है। यह एक रोबोटिक हाथ की तरह है जो धातु के तार को पिघलाता है और दीवार या बीम बनाने के लिए उसे परत दर परत बिछाता है। वैज्ञानिक अब तक एक बड़ा सवाल पूछ रहे हैं: क्या हम इस WAAM विधि का उपयोग करके इस कैंटर अलॉय में टंगस्टन (Tungsten) जैसी सुपर-हार्ड, उच्च गलनांक वाली धातु को मिला सकते हैं, और क्या यह अभी भी एकजुट रहेगा?

प्रयोग: एक रोबोटिक शेफ और एक गुप्त सामग्री

इस अध्ययन में, शोधकर्ताओं की एक टीम ने ठीक यही करने का निर्णय लिया। वे देखना चाहते थे कि क्या वे मानक कैंटर अलॉय में थोड़ा सा टंगस्टन (W) शामिल कर सकते हैं, जो एक ऐसी धातु है जो अविश्वसनीय रूप से सख्त होने और बहुत उच्च गलनांक रखने के लिए जानी जाती है। ऐसा करने के लिए, उन्होंने केवल एक ठोस तार का उपयोग नहीं किया; उन्होंने एक विशेष "मेटल पाउडर कोर वायर" का उपयोग किया। कल्पना कीजिए कि एक खोखली स्टील ट्यूब है जो पाउडर वाली धातुओं के मिश्रण—आयरन, मैंगनीज, निकल, कोबाल्ट, क्रोमियम और थोड़े से टंगस्टन से भरी हुई है। जब रोबोटिक वेल्डिंग आर्म इस तार को पिघलाती है, तो इसके अंदर के पाउडर एक ही स्थान पर नई मिश्र धातु बनाने के लिए आपस में मिल जाते हैं।

शोधकर्ताओं ने WAAM प्रक्रिया का उपयोग करके इस नई धातु की एक ऊँची दीवार बनाई, परत दर परत। वे दो मुख्य चीजों के बारे में उत्सुक थे: पहला, क्या टंगस्टन वास्तव में मिश्रण में घुल जाएगा, या यह गुच्छे बनाकर संरचना को खराब कर देगा? दूसरा, जब वे धातु को खींचकर देखेंगे कि यह कितनी मजबूत है, तो यह कैसा व्यवहार करेगी?

उन्हें क्या मिला: एक स्मूथ राइड विद अ ट्विस्ट

परिणाम आश्चर्यजनक रूप से सुचारू रहे। जब उन्होंने शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी (माइक्रोस्कोप) और एक्स-रे मशीनों के नीचे धातु को देखा, तो उन्होंने पाया कि टंगस्टन सफलतापूर्वक मिश्र धातु में घुल गया था। धातु को तोड़ने वाले कठोर, भंगुर टुकड़ों के रूप में बनने के बजाय, टंगस्टन के परमाणु समान रूप से फैल गए, जो एक "सॉलिड-सॉल्यूशन" की तरह काम करते हैं। यह ऐसा है जैसे टंगस्टन के परमाणु धातु के ताने-बाने में बुने हुए छोटे, अदृश्य सुदृढीकरण (reinforcements) थे, जो धातु को भंगुर बनाए बिना उसे कठोर बना रहे थे।

हालाँकि, जिस तरह से धातु का निर्माण किया गया था, उसने एक निशान छोड़ा। क्योंकि दीवार का निचला हिस्सा एक ठंडी धातु की प्लेट पर बनाया गया था, इसलिए यह तेजी से ठंडा हो गया, जिससे बहुत महीन, छोटे दाने (धातु को बनाने वाले छोटे क्रिस्टल) बने। जैसे-जैसे रोबलेट ऊपर की ओर बढ़ा और ऊपर की परतें बनाता गया, पिछली परतों की गर्मी ने नए धातु को लंबे समय तक गर्म रखा। इसका मतलब था कि दीवार का ऊपरी हिस्सा धीरे-धीरे ठंडा हुआ, जिससे दाने बड़े आकार के हो गए। यह केक बनाने जैसा है: निचली परत जल्दी ठंडी होती है और घनी रहती है, जबकि ऊपरी परत लंबे समय तक गर्म और स्पंजी रहती है, जिससे बड़े क्रिस्टल बनते हैं।

धाने के आकार में नीचे से ऊपर तक इस बदलाव के बावजूद, धातु रासायनिक रूप से एक समान रही। टंगस्टन या अन्य तत्वों के कोई बड़े गुच्छे अलग होते नहीं दिखे। शोधकर्ताओं ने धातु की कठोरता को मापा और पाया कि टंगस्टन जोड़ने से यह काफी कठोर हो गई—यह औसत लगभग 154 HV से बढ़कर 188 HV हो गई। यह कठोरता में 22% की वृद्धि है!

लेकिन यहाँ दिलचस्प बात यह है: भले ही धातु कठोर हो गई, लेकिन यह टूटने से पहले कितना वजन सह सकती है (स्ट्रेंथ) के मामले में उल्लेखनीय रूप से मजबूत नहीं हुई। धातु टूटने से पहले काफी खिंच सकती थी, जिसमें एलोंगेशन (elongation) 48% से 56% के बीच था। जब उन्होंने धातु को तोड़कर फ्रैक्चर को देखा, तो उन्हें बहुत सारे छोटे "डिंपल्स" (dimples) दिखाई दिए, जो एक लचीले, खिंचने वाले फेलियर का संकेत है, न कि अचानक होने वाले भंगुर टूटने का।

निष्कर्ष

अध्ययन बताता है कि इस विशिष्ट प्रकार के हाई-एन्टीरोप अलॉय में टंगस्टन जोड़ना इस सामग्री को कठोर बनाने के लिए एक सफल रणनीति है, लेकिन यह जरूरी नहीं कि टेंसाइल लोड (tensical load) के मामले में इसे मजबूत भी बना दे। अंतिम मजबूती टंगस्टन के हार्डनिंग प्रभाव और धातु के दानों के आकार के बीच एक नाजुक संतुलन पर निर्भर करती है, जो 3D प्रिंटिंग प्रक्रिया के दौरान भाग के ऊँचा होने के साथ बदलता रहता है।

शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि इस विशेष पाउडर-भरे तार का उपयोग करना जटिल, कस्टम मिश्र धातु बनाने का एक शानदार तरीका है जो रासायनिक रूप से एक समान है और खतरनाक गुच्छों से मुक्त है। हालांकि टंगस्टन ने धातु को एक अटूट सुपर-मटेरियल में नहीं बदला, लेकिन इसने सफलतापूर्वक इसकी संरचना को संशोधित किया, जिससे यह साबित हुआ कि यह विधि भविष्य के बड़े पैमाने के धातु के पुर्जों को इंजीनियर करने का एक आशाजनक तरीका है। धातु सख्त, लचीली और दीवार के निचले हिस्से से लेकर ऊपरी हिस्से तक आश्चर्यजनक रूप से सुसंगत बनी हुई है, जो बड़े संरचनात्मक कार्यों के लिए तैयार है।