Wire arc directed energy deposition of 18Ni-350 maraging steel: process optimization, mechanical properties and aging response
यह अध्ययन 18Ni-350 मैराजिंग स्टील के वायर आर्क डायरेक्टेड एनर्जी डिपोजिशन के लिए एक अनुकूलित प्रक्रिया विंडो स्थापित करता है, जो यह प्रदर्शित करता है कि जबकि एजिंग तन्य शक्ति और कठोरता को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाती है, प्रभाव आघात सहनशीलता (इम्पैक्ट टफनेस) स्थिर रहती है, जो उच्च-शक्ति, प्रभाव-सहनशील नियर-नेट-शेप घटकों के उत्पादन के लिए इस विधि की व्यवहार्यता की पुष्टि करता है।
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एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ हम भारी-भरकम मशीनरी के लिए बड़े, जटिल धातु के ऑब्जेक्ट्स को एक बड़े ब्लॉक को काटकर या पिघली हुई धातु को सांचे में डालकर नहीं, बल्कि उन्हें परत दर परत "प्रिंट" करके बना सकते हैं, जैसे कि भारी-भरकम काम के लिए 3D प्रिंटर हो। यह 'एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग' (Additive Manufacturing) का क्षेत्र है। जबकि कुछ 3D प्रिंटर सूक्ष्म धातु पाउडर को पिघलाने के लिए लेजर का उपयोग करते हैं, अन्य एक विशाल, रोबोटिक वेल्डिंग टॉर्च का उपयोग करते हैं जो तार (wire) को बिछाते समय उसे पिघलाती है। इस विशिष्ट विधि को 'वायर आर्क डायरेक्टेड एनर्जी डिपोजिशन' (WA-DED) कहा जाता है। इसे एक बहुत ही सटीक, सुपर-फास्ट हॉट ग्लू गन की तरह समझें, लेकिन गोंद के बजाय, यह पिघली हुई स्टील उगल रही है।
यहाँ जिस सामग्री की बात की जा रही है, वह "मारेजिंग स्टील" (maraging steel) नामक एक विशेष प्रकार की स्टील है। इसका नाम "मार" (मार्टेंसाइट के लिए, जो एक सुपर-स्ट्रॉन्ग क्रिस्टल संरचना है) और "एज" (क्योंकि यह गर्म होने और स्थिर रहने पर और भी मजबूत हो जाता है, जिसे 'एजिंग' की प्रक्रिया कहा जाता है) का मिश्रण लगता है। यह उस प्रकार की धातु है जिसका उपयोग रॉकेट के पुर्जों और उच्च-प्रदर्शन वाले औजारों के लिए किया जाता है क्योंकि यह अविश्वसनीय रूप से सख्त और मजबूत होती है। हालाँकि, वेल्डिंग टॉर्च के साथ इस विशिष्ट प्रकार की स्टील को प्रिंट करना कठिन है। यदि "ग्लू गन" डगमगाती है या गर्मी गलत होती है, तो धातु कमजोर हो सकती है या उसमें छेद हो सकते हैं। वैज्ञानिक इस प्रक्रिया को विश्वसनीय बनाने के लिए गति, गर्मी और तार की गति के सही नुस्खे को खोजने की कोशिश कर रहे थे। यही वह पहेली थी जिसे शोधकर्ताओं ने हल करने का प्रयास किया।
धातु प्रिंटिंग की महान पहेली
इस अध्ययन में, पुर्तगाल के शोधकर्ताओं की एक टीम ने धातु प्रिंटिंग की प्रक्रिया को एक विशाल विज्ञान प्रयोग की तरह माना। वे एक वायर-फेड वेल्डिंग टॉर्च का उपयोग करके 18Ni-350 मारेजिंग स्टील को प्रिंट करने के लिए "गोल्डिलॉक्स" (Goldilocks - एकदम सही) सेटिंग्स खोजना चाहते थे। उनका लक्ष्य केवल धातु का एक ब्लॉक बनाना नहीं था; वे एक ऐसा ब्लॉक बनाना चाहते थे जो मजबूत, सख्त और दोषों से मुक्त हो, और फिर यह देखना चाहते थे कि एक विशेष हीट ट्रीटमेंट (ऊष्मा उपचार) देने पर क्या होता है।
परफेक्ट रेसिपी खोजना
टीम ने अपनी मशीन के तीन मुख्य नियंत्रणों (knobs) के साथ प्रयोग करना शुरू किया: टॉर्च कितनी तेजी से चलती है (ट्रैवल स्पीड), तार की लौ में कितनी तेजी से फीड किया जाता है (वायर फीड स्पीड), और कितनी विद्युत शक्ति (वोल्टेज) का उपयोग किया जाता है (वोल्टेज)। उन्होंने महीनों का समय बर्बाद किए बिना दर्जनों संयोजनों का परीक्षण करने के लिए "डिज़ाइन ऑफ एक्सपेरिमेंट्स" नामक एक चतुर सांख्यिकीय पद्धति का उपयोग किया।
उन्होंने "आर्क स्टेबिलिटी" (arc stability) को मापा, जो मूल रूप से यह है कि वेल्डिंग की लौ कितनी स्थिर है। कल्पना करें कि आप एक ऐसे पेन से सीधी रेखा खींचने की कोशिश कर रहे हैं जो बार-बार हिल रहा है; वह एक अस्थिर आर्क है। यदि पेन स्थिर है, तो आपको एक चिकनी रेखा मिलती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि वोल्टेज और वायर फीड स्पीड सबसे महत्वपूर्ण सामग्रियां थीं। टॉर्च की गति उतनी महत्वपूर्ण नहीं थी।
संख्याओं का विश्लेषण करके, उन्होंने स्थिर लौ बनाए रखने के लिए एकदम सही सेटिंग खोजी:
- ट्रैवल स्पीड: 481 mm/min
- वायर फीड स्पीड: 5.9 m/min
- वोल्टेज: 23.4 V
इन सेटिंग्स पर, उन्होंने भविष्यवाणी की कि आर्क लगभग 96.3% समय स्थिर रहेगा। यह बिल्कुल वैसा ही है जैसे टूथपेस्ट की ट्यूब को दबाने के लिए सटीक दबाव ढूंढना ताकि वह बिना छींटे मारे एक स्थिर धारा में बाहर निकले।
दीवारें बनाना
एक बार जब उनके पास उनकी परफेक्ट रेसिपी आ गई, तो उन्होंने दो प्रकार की धातु की दीवारें बनाईं। पहले, उन्होंने पतली, सिंगल-लेयर वाली दीवारें बनाईं यह परीक्षण करने के लिए कि खींचने पर धातु कितनी मजबूत होती है (टेन्साइल स्ट्रेंथ)। फिर, उन्होंने एक बहुत अधिक मोटी दीवार बनाई जिसमें धातु की चार परतें (beads) बिछाई गईं, जैसे ईंटों को थोड़ा ओवरलैप करते हुए एक के ऊपर एक रखना, यह देखने के लिए कि एक अधिक वास्तविक, भारी आकार में धातु कैसा व्यवहार करती है।
परिणाम: अधिक मजबूत और अधिक सख्त
जब उन्होंने पतली दीवारों का परीक्षण किया, तो परिणाम प्रभावशाली थे।
- हीट ट्रीटमेंट से पहले (As-Built): धातु पहले से ही काफी मजबूत थी, जिसकी खींचने की शक्ति (अल्टीमेट टेन्साइल स्ट्रेंथ) खींचने की दिशा के आधार पर 1253 MPa से 1366 MPa के बीच थी।
- हीट ट्रीटमेंट के बाद (Aged): उन्होंने धातु को 480 °C पर 5 घंटे के लिए गर्म किया और फिर ठंडा होने दिया। यह "एजिंग" वाला हिस्सा है। अचानक, धातु और भी मजबूत हो गई, जो 1613 MPa से 1687 MPa तक पहुँच गई। इससे भी बेहतर, यह अधिक लचीली (elongation लगभग 6% से बढ़कर 8.5–10.2% हो गया) हो गई।
आमतौर पर, जब धातु मजबूत होती है, तो वह अधिक भंगुर (brittle) हो जाती है (जैसे एक सूखी टहनी जो टूट जाती है)। लेकिन यहाँ, धातु मजबूत भी हुई और अधिक लचीली भी। शोधकर्ता मानते हैं कि ऐसा इसलिए हुआ क्योंकि हीट ट्रीटमेंट ने प्रिंटिंग प्रक्रिया के दौरान छोड़ी गई कुछ सूक्ष्म खामियों को सुधारा।
मोटी दीवार का सरप्राइज
जब उन्होंने मोटी, मल्टी-लेयर वाली दीवार को देखा, तो उन्होंने इसकी कठोरता (hardness) के बारे में एक दिलचस्प बात पाई।
- हीट ट्रीटमेंट से पहले: यह पहले से ही 508 HV1.0 पर काफी कठोर थी।
- हीट ट्रीटमेंट के बाद: यह और भी कठोर होकर 625 HV1.0 तक पहुँच गई।
"As-built" धातु का पहले से ही इतना कठोर होना यह दर्शाता है कि मोटी दीवार बनाने की प्रक्रिया ने अपने आप में एक मिनी-हीट ट्रीटमेंट की तरह काम किया। जैसे ही धातु की प्रत्येक नई गर्म परत जोड़ी गई, उसने नीचे की परतों को अंतिम ओवन बेक से पहले थोड़ा टेम्पर्ड (tempering) कर दिया।
टफनेस (Toughness) का परीक्षण
अंत में, उन्होंने एक झटके वाले हथौड़े के परीक्षण (Charpy V-notch) का उपयोग करके यह परीक्षण किया कि धातु टूटने से पहले कितनी ऊर्जा सोख सकती है (इम्पैक्ट टफनेस)।
- As-Built: 438 ± 2 J
- Aged: 440 ± 3 J
यहाँ एक मोड़ है: हीट ट्रीटमेंट ने धातु को कठोर और मजबूत तो बनाया, लेकिन इसने यह नहीं बदला कि वह कितनी ऊर्जा सोख सकती है। टफनेस बिल्कुल वैसी ही रही। शोधकर्ता बताते हैं कि धातु के टूटने के तरीके को नियंत्रित करने वाली विशेषताएं प्रिंटिंग प्रक्रिया के दौरान ही निर्धारित हो गई थीं, न कि अंतिम हीटिंग के दौरान। यह वैसा ही है जैसे किसी चॉकलेट बार की "टफनेस" इस बात से तय होती है कि उसके अवयवों को कैसे मिलाया गया है, न कि इस बात से कि उसे बाद में किस रैपर में लपेटा गया है।
आगे क्या?
अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि यह विधि 18Ni-350 मारेजिंग स्टील से बड़े, मजबूत और सख्त पुर्जे बनाने का एक व्यवहार्य तरीका है। उन्होंने मशीन सेटिंग्स का एक ऐसा "स्वीट स्पॉट" खोजा जो वेल्डिंग के "शॉर्ट-सर्किट" मोड के लिए अच्छा काम करता है। हालांकि, वे नोट करते हैं कि यह "स्वीट स्पॉट" उनके द्वारा परीक्षण की गई सेटिंग्स के बिल्कुल किनारे पर है। एक वास्तव में पूर्ण ग्लोबल ऑप्टिममम खोजने के लिए, उन्हें सेटिंग्स की और भी विस्तृत रेंज का परीक्षण करने की आवश्यकता होगी। वे यह भी सुझाव देते हैं कि भविष्य के कार्यों में धातु के भीतर के सूक्ष्म क्रिस्टल का गहराई से अध्ययन करना चाहिए और यह देखना चाहिए कि क्या अंतिम एजिंग से पहले किसी अलग प्रकार का हीट ट्रीटमेंट पुर्जों को और भी बेहतर बना सकता है।
संक्षेप में, इन शोधकर्ताओं ने यह पता लगाया कि एक विशाल धातु 3D प्रिंटर को कैसे ट्यून किया जाए ताकि एक सुपर-स्ट्रॉन्ग स्टील बनाया जा सके जो एक गर्म स्नान (warm bath) के बाद और भी बेहतर हो जाता है, यह साबित करते हुए कि आप बिना मिलियन-डॉलर की लेजर मशीन के जटिल, उच्च-प्रदर्शन वाले पुर्जे प्रिंट कर सकते हैं।
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