Abrasive Flow Machining of Additively Manufactured Inconel 718 Conformal Cooling Channels: Effects on Surface Integrity and Tribological Performance

एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ जटिल धातु के पुर्जों को एक ठोस ब्लॉक से तराशा नहीं जाता, बल्कि परतों में बनाया जाता है, जैसे कि एक 3D प्रिंटर पिघली हुई धातु की परतें जमा रहा हो। यह विधि, जिसे एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग (additive manufacturing) कहा जाता है, इंजीनियरों को ऐसे आकार बनाने की अनुमति देती है जो पहले बनाना असंभव था, जैसे कि जेट इंजनों में कूलिंग सिस्टम के लिए जटिल आंतरिक सुरंगें या उच्च-प्रदर्शन वाले सांचे। हालाँकि, यह स्वतंत्रता एक कीमत के साथ आती है। क्योंकि धातु को छोटे पाउडर कणों को आपस में जोड़कर बनाया जाता है, इसलिए इन सुरंगों की भीतरी दीवारें अक्सर खुरदरी और गड्ढेदार होती हैं, जो धातु के छोटे, बिना पिघले हुए कणों से ढकी होती हैं। एक सुचारू, प्रवाहमयी प्रणाली में, ये खुरदरे स्थान स्पीड बंपर की तरह काम करते हैं, जो गुजरने वाले तरल में बाधा डालते हैं और विक्षोभ (turbulence) पैदा करते हैं। इन उन्नत पुर्जों को कार्य करने योग्य बनाने के लिए, इन खुरदरी सतहों को चिकना करना आवश्यक है, लेकिन पारंपरिक उपकरण जैसे ड्रिल या ब्रश इन घुमावदार, छिपी हुई नलिकाओं के भीतर नहीं पहुँच सकते।

शोधकर्ताओं ने 'अब्रेसिव फ्लो मशीनिंग' (abrasive flow machining) नामक एक चतुर समाधान की ओर रुख किया है। एक कठोर उपकरण के बजाय, यह प्रक्रिया रेत के छोटे, कठोर कणों से भरी एक गाढ़ी, टूथपेस्ट जैसी पेस्ट का उपयोग करती है। इस पेस्ट को उच्च दबाव के साथ धातु के पुर्जे के आंतरिक चैनलों के माध्यम से आगे और पीछे धकेला जाता है। जैसे ही पेस्ट संकुचित होकर गुजरता है, कठोर कण दीवारों को रगड़ते हैं, जिससे किसी मानवीय हाथ द्वारा उपकरण पकड़े बिना ही उन्हें चिकना कर दिया जाता है। इंजीनियरों की एक टीम ने हाल ही में इस तकनीक का परीक्षण 'इनकोनेल 718' (Inconel 718) नामक एक विशिष्ट, उच्च-शक्ति वाली धातु पर किया, जिसका उपयोग अक्सर एयरोस्पेस जैसे अत्यधिक वातावरण में किया जाता है। वे यह जानना चाहते थे कि सर्वोत्तम परिणाम प्राप्त करने के लिए और पुर्जे को नुकसान पहुँचाए बिना इस प्रक्रिया को कैसे ट्यून किया जाए, और क्या धातु की आंतरिक मजबूती इस पॉलिशिंग को झेल पाएगी।

टीम ने धातु के कूपन (coupons) से शुरुआत की, जो सीधे छेद वाले धातु के छोटे ब्लॉक थे, जिन्हें धातु पाउडर को पिघलाने के लिए लेजर का उपयोग करके बनाया गया था। फिर उन्होंने इन ब्लॉकों को अब्रेसिव पेस्ट के संपर्क में लाया, जिसमें तीन मुख्य कारकों को बदला गया: पेस्ट की मोटाई, पेस्ट को छेद के माध्यम से कितनी बार धकेला गया, और रेत के कण कितने मोटे थे। उन्होंने अब्रेसिव पेस्ट के विभिन्न सांद्रणों का परीक्षण किया, जो एक पतले मिश्रण से लेकर एक बहुत ही गाढ़े मिश्रण तक थे, और प्रक्रिया को कुछ पास से लेकर अस्सी पास तक चलाया। उन्होंने उन पुर्जों की तुलना उन पुर्जों से भी की जो सीधे निर्माण मशीन से निकले थे और उन पुर्जों से जिन्होंने अपनी आंतरिक संरचना को बदलने के लिए भट्टी में गर्म किया गया था, जो धातु को मजबूत बनाने के लिए किया जाने वाला एक सामान्य कदम है।

परिणाम चौंका देने वाले थे। अब्रेसिव फ्लो प्रक्रिया सतह को साफ करने में अविश्वसनीय रूप से प्रभावी थी। सबसे अच्छे मामलों में, इस प्रक्रिया ने लगभग सभी बिना पिघले हुए धातु के कणों को हटा दिया जिसने सतह को खुरदरा बनाया था, जिससे चैनल की दीवारों की खुरदरापन में ९८ प्रतिशत तक की कमी आई। इस परिवर्तन ने एक ऊबड़-खाबड़, असमान सतह को एक चिकने, पारंपरिक रूप से पॉलिश किए गए धातु ट्यूब की तरह बना दिया। हालाँकि, शोधकर्ताओं ने पाया कि केवल प्रक्रिया को लंबे समय तक चलाने से हमेशा बेहतर परिणाम नहीं मिलते। यदि पेस्ट बहुत पतला था, तो प्रक्रिया के जारी रहने पर सतह पर अंततः एक लहरदार, झुर्रीदार बनावट विकसित हो जाती थी, जो वास्तव में सतह को फिर से खुरदरा बना देती थी। सफलता की कुंजी एक गाढ़ा, केंद्रित पेस्ट उपयोग करना था। जब पेस्ट पर्याप्त गाढ़ा था, तो हर पास के साथ सतह चिकनी होती गई, और शोधकर्ताओं ने पाया कि इस गाढ़े पेस्ट के साथ प्रक्रिया को अस्सी बार चलाने से सबसे चिकनी और एकसमान फिनिश प्राप्त हुई।

उपयोग किए गए रेत के कणों का प्रकार भी मायने रखता था, लेकिन उस तरह से नहीं जैसा कि कोई उम्मीद कर सकता है। मोटे कण सामग्री को तेजी से हटाते हैं, जो तब उपयोगी होता है जब आपको जल्दी से बहुत अधिक धातु छीलनी हो। हालाँकि, ये बड़े कण सतह पर गहरे निशान छोड़ देते हैं। महीन कण सतह को चिकना करने में अधिक समय लेते हैं लेकिन कम गहरे निशानों के साथ बहुत साफ फिनिश छोड़ते हैं। अध्ययन ने दिखाया कि जबकि मोटे कण कम पास में काम पूरा कर सकते थे, महीन कण पुर्जे के मूल आयामों को बहुत अधिक बदले बिना उच्च गुणवत्ता वाली फिनिश प्राप्त करने के लिए बेहतर थे। यह महत्वपूर्ण है क्योंकि यदि चैनल बहुत चौड़ा हो जाता है, तो यह कूलिंग फ्लूइड के प्रवाह को बदल सकता है, जिससे डिजाइन का उद्देश्य ही विफल हो जाता है।

शायद सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि शोधकर्ताओं ने यह भी जांचा कि क्या इस आक्रामक पॉलिशिंग ने धातु के नीचे के हिस्से को नुकसान पहुँचाया। उन्होंने सतह के विभिन्न स्तरों पर गहराई में धातु की कठोरता को मापा और पाया कि इस प्रक्रिया ने सामग्री को कमजोर नहीं किया। धातु की आंतरिक संरचना बरकरार रही, और अस्सी पास के बाद भी कठोरता में कोई महत्वपूर्ण बदलाव नहीं आया। इसका मतलब है कि पुर्जा न केवल बाहर से चिकना है, बल्कि अंदर से भी उतना ही मजबूत है। उन्होंने यह भी परीक्षण किया कि पॉलिश की गई सतहें दूसरी सामग्री के साथ रगड़ने पर कैसा व्यवहार करती हैं, जो घर्षण और टूट-फूट (wear and friction) का एक परीक्षण है। गाढ़े पेस्ट और कई पास के साथ पॉलिश किए गए पुर्जों में घर्षण सबसे कम था, जिसका अर्थ है कि वे अन्य सतहों के विरुद्ध आसानी से फिसलेंगे और कम घिसेंगे।

अध्ययन में यह भी देखा गया कि पॉलिश करने से पहले धातु को गर्म करने से क्या होता है। हीट ट्रीटमेंट ने धातु के गुणों को बदल दिया, जिससे वह थोड़ी नरम हो गई, लेकिन पॉलिशिंग प्रक्रिया इन हीट-ट्रीटेड पुर्जों पर भी उतनी ही अच्छी तरह से काम करती जितनी कि कच्चे (untreated) पुर्जों पर। वास्तव में, हीट-ट्रीटेड पुर्जे बिना उपचारित (untreated) पुर्जों की तुलना में पॉलिशिंग के बाद थोड़े अधिक चिकने निकले। यह सुझाव देता है कि संचालन का क्रम—चाहे आप धातु को पहले गर्म करें या पहले पॉलिश करें—पुर्जे की विशिष्ट आवश्यकताओं के आधार पर समायोजित किया जा सकता है बिना स्मूथिंग प्रक्रिया के लाभों को खोए।

पॉलिशिंग पेस्ट की मोटाई, अब्रेसिव दानों के आकार और पेस्ट को छेद के माध्यम से कितनी बार धकेला जाता है, इन तीनों को सावधानीपूर्वक संतुलित करके, इंजीनियर अब जटिल धातु चैनलों के अंदरूनी हिस्सों को विश्वसनीय रूप से चिकना कर सकते हैं। यह शोध पुष्टि करता है कि अब्रेसिव फ्लो मशीनिंग केवल सतह को बेहतर दिखाने का तरीका नहीं है; यह यह सुनिश्चित करने का तरीका है कि पुर्जा अपना काम सही ढंग से करे। उन उद्योगों के लिए जो इन जटिल कूलिंग सिस्टम पर निर्भर हैं, एक चैनल के अंदर के हिस्से को धातु या आकार बदले बिना चिकना करने की क्षमता अधिक कुशल, लंबे समय तक चलने वाले और उच्च प्रदर्शन करने वाले मशीनरी के द्वार खोलती है। यह कार्य सिद्ध करता है कि सही सेटिंग्स के साथ, यह तकनीक एक खुरदरे, 3D-प्रिंटेड चैनल को सबसे कठिन अनुप्रयोगों के लिए तैयार एक सटीक घटक में बदल सकती है।