Numerical Simulation and Process Parameters for Laser Cleaning of Oxide Films on TA15 Titanium Alloy

कल्पना कीजिए कि आप एक गंदी खिड़की को साफ करने की कोशिश कर रहे हैं, लेकिन एक कपड़े और साबुन के बजाय, आप प्रकाश की एक अत्यंत तीव्र, अत्यंत गर्म किरण का उपयोग कर रहे हैं। यह लेजर क्लीनिंग (laser cleaning) की दुनिया है, जो एक उच्च-तकनीकी विधि है जो सतह को छुए बिना गंदगी को उड़ा देने के लिए प्रकाश की तरंगों (pulses) का उपयोग करती है। यह ऊर्जा से बने एक छोटे, सटीक स्नोब्लोअर (बर्फ हटाने वाली मशीन) की तरह है जो रास्ता साफ करने के लिए काम करता है। लेकिन यहाँ पेचीदा बात यह है: यदि स्नोब्लोअर बहुत कमजोर है, तो बर्फ वहीं रहेगी; यदि यह बहुत शक्तिशाली है, तो यह खिड़की को भी पिघला सकता है। वैज्ञानिक "गोल्डिलॉक्स ज़ोन" (Goldilocks zone) खोजने की कोशिश कर रहे थे—वह सटीक सेटिंग जहाँ प्रकाश इतना शक्तिशाली हो कि गंदगी को वाष्पित कर दे लेकिन नीचे की सामग्री को पूरी तरह सुरक्षित रखने के लिए पर्याप्त कोमल भी हो। यह टाइटेनियम मिश्र धातुओं (titanium alloys) जैसी सामग्रियों के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण है, जो हवाई जहाज और रॉकेट बनाने में उपयोग किए जाने वाले सुपर-स्ट्रॉन्ग, हल्के धातु हैं। ये धातुएं बेहतरीन हैं, लेकिन हवा में रहने पर इन पर स्वाभाविक रूप से एक "ऑक्साइड फिल्म" (जैसे जंग, लेकिन टाइटेनियम के लिए) जम जाती है। यदि आप इस परत को साफ किए बिना इन धातुओं को आपस में वेल्ड करने की कोशिश करते हैं, तो वेल्डिंग कमजोर और छेदों से भरी होगी, जो उच्च गति पर उड़ने वाली किसी भी चीज़ के लिए एक आपदा है।

इसलिए, हारबिन एयरक्राफ्ट इंडस्ट्री ग्रुप और हारबिन इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इन धातुओं को साफ करने के लिए "परफेक्ट रेसिपी" खोजने के लिए "लेजर शेफ" की भूमिका निभाने का निर्णय लिया। उन्होंने केवल अनुमान नहीं लगाया; उन्होंने पहले एक कंप्यूटर सिमुलेशन बनाया। इस सिमुलेशन को एक वीडियो गेम की तरह समझें जहाँ वे अपने लैब के उपकरणों को पिघलाए बिना यह देखने के लिए हजारों लेजर सेटिंग्स का तुरंत परीक्षण कर सकते थे कि गर्मी धातु के माध्यम से कैसे चलती है। उन्होंने TA15 टाइटेनियम मिश्र धातु (एक विशिष्ट धातु जिसका उपयोग विमानन में किया जाता है) और उसकी ऑक्साइड परत का एक डिजिटल मॉडल बनाया, जिसे वास्तविक वस्तु की तरह लेजर गर्मी के प्रति प्रतिक्रिया करने के लिए प्रोग्राम किया गया। उन्होंने माना कि लेजर एक ऐसी हीट बीम की तरह कार्य करता है जो परत को गर्म करती है, उसे पिघलाती है, और फिर उसे हवा में वाष्पित कर देती है।

एक बार जब उनका कंप्यूटर मॉडल तैयार हो गया, तो वे वास्तविक दुनिया में पहुँचे। उन्होंने TA15 टाइटेनियम के वास्तविक टुकड़ों को लिया, जो अपनी प्राकृतिक ऑक्साइड फिल्में विकसित करने के लिए पर्याप्त समय तक रखे गए थे, और उन्हें नैनोसेकंड पल्स्ड लेजर से ब्लास्ट करना शुरू किया। एक "नैनोसेकंड" एक सेकंड का अरबवां हिस्सा है, इसलिए ये पल्स अविश्वसनीय रूप से तेज़ हैं—जैसे एक कैमरा फ्लैश जो एक सेकंड में एक अरब बार होता है। उन्होंने अपनी मशीन के विभिन्न "नॉब्स" (नियंत्रणों) का परीक्षण किया: लेजर की शक्ति कितनी थी, पल्स कितनी तेज़ी से फायर हुए, लेजर बीम धातु के ऊपर कितनी तेज़ी से चली, और पूरा क्लीनिंग हेड कितनी तेज़ी से चला।

यहाँ उन्हें क्या पता चला। सबसे पहले, उनका कंप्यूटर मॉडल बिल्कुल सटीक था। इसने भविष्यवाणी की कि धातु की सतह बिजली की गति से (माइक्रोसेकंड के भीतर) गर्म और ठंडी होगी, और प्रयोगों ने साबित किया कि यह सच है। उन्होंने पाया कि यदि लेजर पावर बहुत कम (जैसे 70 W या 140 W) थी, तो ऑक्साइड फिल्म केवल गर्म होगी और शायद थोड़ा पिघलेगी, लेकिन वह गायब नहीं होगी। यह पानी को मोमबत्ती से उबालने की कोशिश करने जैसा है; यह केवल गुनगुना होगा। हालाँकि, जब उन्होंने अपनी शक्ति को बढ़ाकर 200 W कर दिया, तो सतह इतनी गर्म हो गई कि ऑक्साइड फिल्म का क्वथनांक (लगभग 3673 K) पहुँच गया, और वह परत बस वाष्पित होकर गायब हो गई।

लेकिन शक्ति ही एकमात्र चीज़ नहीं है जो मायने रखती है। टीम ने पाया कि लेजर पल्स की गति और लेजर की गति भी उतनी ही महत्वपूर्ण थी। यदि उन्होंने लेजर को बहुत तेज़ी से फायर किया (जैसे 30 kHz), तो व्यक्तिगत पल्स के पास काम करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा नहीं थी, और सफाई विफल रही। यह एक पत्थर को हथौड़े से तोड़ने की कोशिश करने जैसा है: यदि आप बहुत तेज़ी से प्रहार करते हैं, तो आप पर्याप्त ज़ोर से नहीं मार पाते हैं। उन्होंने यह भी पाया कि यदि वे लेजर को बहुत धीरे चलते थे, तो उन्होंने धातु को जला दिया, जिससे सूक्ष्म दरारें बन गईं। यदि वे इसे बहुत तेज़ी से चलाते थे, तो वे कुछ जगहों को छोड़ देते थे, जिससे ऑक्साइड फिल्म पीछे रह जाती थी।

इन सभी संयोजनों का परीक्षण करने के बाद, उन्हें TA15 टाइटेनियम को साफ करने की परफेक्ट रेसिपी मिली: 200 W की लेजर पावर, 10 kHz की रिपिटिशन रेट पर फायरिंग, 3000 mm/s पर लेजर स्कैनिंग, और 7.5 mm/s की गति से क्लीनिंग हेड का चलना। इन सेटिंग्स के साथ, ऑक्साइड फिल्म पूरी तरह से हटा दी गई, जिससे एक चिकनी, साफ सतह मिल गई जो वेल्डिंग के लिए तैयार थी।

दिलचस्प बात यह है कि उन्होंने देखा कि जब उन्होंने लेजर पावर को और अधिक बढ़ाया (200 W से ऊपर), तो कुछ अद्भुत होने लगा। केवल सफाई करने के बजाय, लेजर ने धातु की सतह पर सूक्ष्म, दोहराते हुए पैटर्न बनाना शुरू कर दिया, जो लगभग सूक्ष्म पहाड़ियों और घाटियों के परिदृश्य जैसा था। हालांकि यह साधारण सफाई का लक्ष्य नहीं था, शोधकर्ताओं का सुझाव है कि यह अन्य चीजों के लिए उपयोगी हो सकता है, जैसे सतह को पानी पकड़ने में बेहतर बनाना या घर्षण को कम करना।

संक्षेप में, इस पेपर ने केवल यह नहीं कहा कि "लेजर धातु को साफ करते हैं।" इसने एक विस्तृत मानचित्र प्रदान किया कि बिना धातु को नुकसान पहुँचाए इसे ठीक से कैसे किया जाए। उन्होंने कंप्यूटर सिमुलेशन और वास्तविक दुनिया के प्रयोगों दोनों के माध्यम से सिद्ध किया कि 200 W शक्ति के लिए सबसे उपयुक्त स्तर है, और दरारें या छूटे हुए स्थानों से बचने के लिए लेजर को सही गति से चलाना अत्यंत महत्वपूर्ण है। उन्होंने इस विचार को खारिज कर दिया कि कोई भी पुरानी सेटिंग काम कर जाएगी, यह दिखाते हुए कि बहुत अधिक गति या बहुत कम शक्ति विफलता की ओर ले जाती है। हालांकि उन्होंने ब्रह्मांड की हर सफाई समस्या को हल नहीं किया, लेकिन उन्होंने इंजीनियरों को हमारे सबसे उन्नत विमानों में उपयोग किए जाने वाले विशिष्ट टाइटेनियम मिश्र धातुओं को साफ करने के लिए एक विश्वसनीय, परीक्षित मार्गदर्शिका दी है।