Effect of micro rolling on laser-induced arc additive manufacturing of 2319 aluminum alloy

हल्की और मजबूत मशीनें बनाने की खोज में, इंजीनियर अक्सर एल्युमीनियम की ओर रुख करते हैं। यह एक ऐसा धातु है जो लोहे के वजन का लगभग एक-तिहाई है, फिर भी इसमें वह मजबूती और जंग प्रतिरोध क्षमता है जिसकी एयरोस्पेस और रक्षा क्षेत्र के कठिन कार्यों के लिए आवश्यकता होती है। हालांकि, इस धातु को जटिल, कस्टम-आकार के भागों में बदलना कठिन है। कास्टिंग या मशीनिंग जैसी पारंपरिक विधियां या तो अपव्ययकारी हो सकती हैं या वे सीमित आकारों को बना सकती हैं। एक नया दृष्टिकोण, जिसे एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग (योगात्मक विनिर्माण) के रूप में जाना जाता है, वस्तुओं को परत दर परत बनाता है, बिल्कुल एक 3D प्रिंटर की तरह, लेकिन बहुत बड़े पैमाने पर। जबकि यह तकनीक बड़ी संभावना पेश करती है, इसे एक महत्वपूर्ण बाधा का सामना करना पड़ता है: धातु के तार को पिघलाने के लिए उपयोग की जाने वाली तीव्र गर्मी के कारण सामग्री असमान रूप से ठंडी हो सकती है। यह असमान शीतलन अक्सर बड़े, कमजोर क्रिस्टल संरचनाओं और सूक्ष्म आंतरिक छिद्रों का कारण बनता है, जो अंतिम भाग को तनाव के तहत टूटने या दरार पड़ने के प्रति संवेदनशील बना सकते हैं। महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों के लिए उपयोग किए जाने वाले एल्युमीनियम मिश्र धातु के एक विशिष्ट प्रकार, जिसे 2319 सीरीज़ के रूप में जाना जाता है, के लिए ये दोष विशेष रूप से कष्टदायक हैं, जो वास्तविक दुनिया की स्थितियों में धातु के प्रदर्शन को सीमित करते हैं।

इसे हल करने के लिए, डालियन यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी और हुआकियाओ यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने एक नई विधि विकसित की है जो दो अलग-अलग प्रक्रियाओं को जोड़ती है: एक हाइब्रिड हीट सोर्स (मिश्रित ऊष्मा स्रोत) और एक मैकेनिकल स्क्वीज़ (यांत्रिक दबाव)। उन्होंने 'लेजर-इंड्यूस्ड आर्क एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग' नामक तकनीक का उपयोग किया, जो एक इलेक्ट्रिक आर्क और एक कम शक्ति वाले लेजर के संयोजन का उपयोग करके एल्युमीनियम तार को पिघलाती है। यह हाइब्रिड दृष्टिकोण केवल इलेक्ट्रिक आर्क का उपयोग करने की तुलना में अधिक स्थिर मेल्ट (पिघला हुआ द्रव्य) बनाने में मदद करता है। लेकिन असली नवाचार उस समय होता है जब प्रत्येक परत जमा होने के तुरंत बाद प्रक्रिया चलती है। गर्म धातु को स्वाभाविक रूप से ठंडा होने देने के बजाय, टीम ने एक ताज़ा परत के ऊपर तब एक भारी रोलर चलाया जब वह अभी भी गर्म थी। 'माइक्रो-रोलिंग' के रूप में जानी जाने वाली यह प्रक्रिया सतह को समतल करती है और धातु पर दबाव डालती है। शोधकर्ता यह देखना चाहते थे कि क्या रोलिंग का यह सरल कार्य गर्मी के कारण होने वाले आंतरिक दोषों को ठीक कर सकता है और अंतिम एल्युमीनियम भाग की मजबूती में सुधार कर सकता है।

टीम ने 2319 एल्युमीनियम मिश्र धातु के तार का उपयोग करके परीक्षण ब्लॉक बनाए, जिसमें रोलिंग चरण के साथ और बिना रोलिंग के नमूने तैयार किए गए। इसके बाद उन्होंने इन ब्लॉकों की बारीकी से जांच की ताकि देखा जा सके कि धातु के भीतर क्या हुआ। रोलिंग के बिना, धातु एक ऐसी संरचना में ठंडी हुई जो लंबी, स्तंभ जैसी क्रिस्टल संरचनाओं के प्रभुत्व में थी जो ऊपर की ओर बढ़ती थीं, ठीक वैसे ही जैसे फ्रीजर में बर्फ के क्रिस्टल बनते हैं। इन लंबी क्रिस्टल संरचनाओं के साथ-साथ कॉपर और एल्युमीनियम के मिश्रण से बनी भंगुर, जाल जैसी पैटर्न वाली संरचनाओं ने सामग्री में कमजोर बिंदु बनाए। बिना रोल किए गए नमूनों की सतह भी असमान थी, जिस पर वेल्डिंग आर्क द्वारा छोड़ी गई छोटी ढलानें और लहरें थीं। जब शोधकर्ताओं ने रोलिंग प्रक्रिया लागू की, तो परिणाम नाटकीय रूप से बदल गए। रोलर के दबाव ने सतह को समतल कर दिया, लहरों को हटा दिया और अगली परत के लिए एक चिकना, स्तरित आधार बनाया। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि यांत्रिक दबाव ने लंबी, स्तंभ जैसी क्रिस्टल संरचनाओं और भंगुर जाल पैटर्न को तोड़ दिया। उनके स्थान पर, धातु ने छोटे, समान और गोल दाने (ग्रेन्स) बनाए जो सामग्री में समान रूप से बिखरे हुए थे।

धातु की इस आंतरिक संरचना में आए परिवर्तन का इसकी मजबूती पर सीधा और मापने योग्य प्रभाव पड़ा। शोधकर्ताओं ने पाया कि रोल किए गए नमूने बिना रोल किए गए नमूनों की तुलना में काफी कठोर और मजबूत थे। औसतन, रोल किए गए धातु की कठोरता में 4.6 प्रतिशत की वृद्धि हुई, और इसकी खिंचाव के प्रति प्रतिरोधक क्षमता, जिसे टेंसाइल स्ट्रेंथ कहा जाता है, में 9.13 प्रतिशत का सुधार हुआ। धातु अधिक सुसंगत भी हो गई; एक स्थान से दूसरे स्थान तक मजबूती के अंतर में कमी आई, जिसका अर्थ है कि भाग तनाव के तहत अधिक अनुमानित व्यवहार करेगा। रोलिंग प्रक्रिया ने उन सूक्ष्म वायु जेबों (पोर्स) को खत्म करने में भी मदद की, जो अक्सर पिघलने की प्रक्रिया के दौरान धातु के अंदर फंस जाते हैं। बिना रोल किए गए नमूनों में, ये छिद्र बड़े थे और आपस में जुड़ने की प्रवृत्ति रखते थे, जो कमजोर बिंदुओं के रूप में कार्य करते थे जहाँ दरारें शुरू हो सकती थीं। रोल किए गए नमूनों में, ये छिद्र बहुत छोटे और समान रूप से फैले हुए थे, जिससे दरार बनना और बढ़ना बहुत कठिन हो गया।

इस सुधार का कारण यह है कि धातु ने दबाव और गर्मी के प्रति कैसी प्रतिक्रिया दी। जब रोलर ने गर्म धातु पर दबाव डाला, तो इसने परमाणुओं को पुनर्गठित करने और क्रिस्टल को छोटे टुकड़ों में तोड़ने के लिए मजबूर किया। इस प्रक्रिया ने आंतरिक दोषों का एक उच्च घनत्व बनाया जिन्हें 'डिसलोकेशन' कहा जाता है, जो गति के लिए एक बाधा के रूप में कार्य करते हैं, जिससे धातु को विकृत होने से रोकने में मदद मिलती है। जैसे ही अगली पिघली हुई धातु की परत ऊपर जोड़ी गई, उस नई परत की गर्मी ने एक सौम्य 'एनीलिंग उपचार' की तरह काम किया, जिससे धातु को दबाव के लाभों को खोए बिना एक नई, महीन संरचना में व्यवस्थित होने में मदद मिली। मिश्र धातु के भीतर मौजूद कॉपर और मैंगनीज तत्व, जो कभी-कभी गुच्छे बनाकर कमजोरी पैदा कर सकते हैं, रोलिंग द्वारा अधिक समान रूप से फैला दिए गए। इस समान वितरण ने बड़े, भंगुर समूहों के निर्माण को रोका जो भाग को कमजोर कर सकते थे। शोधकर्ताओं ने देखा कि जिस दिशा में धातु के क्रिस्टल बढ़ते थे, उस दिशा का प्रभुत्व कम हो गया, जिससे सामग्री के एक दिशा में मजबूत और दूसरी दिशा में कमजोर होने की प्रवृत्ति कम हो गई।

अंततः, यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि विनिर्माण प्रक्रिया में एक सरल रोलिंग चरण जोड़ने से एक मानक एल्युमीनियम भाग को एक उच्च-प्रदर्शन घटक में बदला जा सकता है। आंतरिक ग्रेन संरचना को परिष्कृत करके और दोषों को दूर करके, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि इस विशिष्ट मिश्र धातु के लिए पारंपरिक एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग की सीमाओं को पार करना संभव है। निष्कर्ष बताते हैं कि यह संयुक्त दृष्टिकोण बड़े, जटिल एल्युमीनियम भागों को बनाने के लिए एक व्यावहारिक मार्ग प्रदान करता है जो न केवल हल्के हैं बल्कि एयरोस्पेस और रक्षा के सबसे कठिन अनुप्रयोगों के लिए पर्याप्त मजबूत भी हैं। यह कार्य पुष्टि करता है कि धातु के ठंडा होने के दौरान उसकी भौतिक अवस्था को नियंत्रित करना उतना ही महत्वपूर्ण है जितना कि उसे पिघलाने के लिए उपयोग की जाने वाली गर्मी, जो इंजीनियरों को बेहतर मशीनें बनाने के लिए एक नया उपकरण प्रदान करता है।