Tailoring strength-ductility of Al 0.8 CoCrFeNi/Al composites fabricated by deformation-driven metallurgy via incorporating high-energy ball milling pretreatment

विमानों से लेकर इलेक्ट्रिक वाहनों तक, हर चीज़ के लिए हल्के और मज़बूत पदार्थों की निरंतर खोज में, वैज्ञानिकों ने लंबे समय से एल्युमीनियम की ओर देखा है। यह एक ऐसा धातु है जो हल्केपन और मजबूती का एक उत्कृष्ट संतुलन प्रदान करता है, लेकिन सबसे कठिन अनुप्रयोगों के लिए, इसे एक बढ़ावा देने की आवश्यकता होती है। एल्युमीनियम को वह बढ़ावा देने का एक आशाजनक तरीका इसे 'हाई-एंट्रॉपी अलॉय' (high-entropy alloys) नामक धातुओं के एक विशेष वर्ग के सूक्ष्म कणों के साथ मिलाना है। ये सामान्य धातुएं नहीं हैं; ये कई अलग-अलग तत्वों के जटिल मिश्रण हैं जो, आपस में मिलने पर, एक ऐसा पदार्थ बनाते हैं जो अविश्वसनीय रूप से कठोर, संक्षारण प्रतिरोधी और अत्यधिक गर्मी सहने में सक्षम होता है। हालाँकि, चुनौती इन दो सामग्रियों के मिलन में निहित है। यदि हाई-एंट्रॉपी अलॉय के कण बहुत बड़े हैं या आपस में गुच्छे बना लेते हैं, तो वे एल्युमीनियम में कमजोर बिंदु पैदा करते हैं, जिससे अंतिम उत्पाद तनाव के तहत विफल हो जाता है। लक्ष्य इन सुदृढ़ीकरण कणों को एल्युमीनियम में इतना सूक्ष्म और समान रूप से बिखेरना है कि वे विरूपण (deformation) के विरुद्ध एक समान ढाल के रूप में कार्य करें, जिससे धातु को भंगुर बनाए बिना उसे मज़बूत किया जा सके।

शंघाई एयरोस्पेस इक्विपमेंट मैन्युफैक्चरर और हारबिन इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं ने 'डिफॉर्मेशन-ड्रिवन मेटालर्जी' (deformation-driven metallurgy) नामक एक विधि को परिष्कृत करके इस चुनौती का समाधान किया है। यह प्रक्रिया अनिवार्य रूप से पाउडर से धातु को बिना पिघलाए गढ़ने का एक तरीका है, जिसमें सामग्रियों को एक ठोस ब्लॉक में मिलाने के लिए तीव्र दबाव और घर्षण का उपयोग किया जाता है। अपने नवीनतम कार्य में, जो एक शोध लेख में प्रकाशित हुआ है, टीम ने एक महत्वपूर्ण पहला चरण पेश किया: 'हाई-एनर्जी बॉल मिलिंग' का एक जोरदार प्री-ट्रीटमेंट। कल्पना कीजिए कि स्टील की गेंदों और एल्युमीनियम एवं हाई-एंट्रॉपी अलॉय पाउडर के मिश्रण से भरा एक भारी ड्रम है। जैसे ही ड्रम घूमता है, गेंदें पाउडर से जबरदस्त बल के साथ टकराती हैं, जिससे कण बार-बार टूटते हैं, चपटे होते हैं और आपस में वेल्ड (welding) होते जाते हैं। शोधकर्ता यह देखना चाहते थे कि इस ड्रम को घुमाने के लिए उन्हें कितने समय तक घुमाना चाहिए ताकि सटीक परिणाम प्राप्त हो सके। उन्होंने पाउडर के परिवर्तन और उन परिवर्तनों ने एल्युमीनियम कंपोजिट की अंतिम मजबूती को कैसे प्रभावित किया, यह देखने के लिए पंद्रह से तीस घंटों तक की विभिन्न अवधियों का परीक्षण किया।

परिणामों ने परिवर्तन की एक स्पष्ट कहानी उजागर की। जैसे-जैसे मिलिंग का समय बढ़ता गया, हाई-एंट्रॉपी अलॉय के बड़े, अनियमित टुकड़े धीरे-धीरे बहुत महीन, अधिक समान कणों में टूटते गए। शुरुआत में, कण अपेक्षाकृत बड़े और असमान रूप से वितरित थे, लेकिन बीस-पच्चीस घंटों की मिलिंग के बाद, उन्हें एक माइक्रोमीटर के आधे से भी कम आकार के सूक्ष्म, समदैशिक (equiaxed) दानों में परिष्कृत कर दिया गया था। यह परिष्करण केवल आकार के बारे में नहीं था; यह इस बारे में था कि कण एल्युमीनियम के भीतर कैसे समाहित थे। गहन पीसने (grinding) की प्रक्रिया ने एल्युमीनियम पाउडर की क्रिस्टल संरचना में दोषों (dislocations) की एक विशाल संख्या पेश की। ये दोष बीजों के रूप में कार्य करते थे, जिससे एल्युमीनियम को बाद में एक ठोस ब्लॉक के रूप में गढ़ने के दौरान अपनी आंतरिक संरचना को एक महीन, अधिक मजबूत दानेदार पैटर्न में पुनर्गठित करने के लिए प्रोत्साहन मिला। शोधकर्ताओं ने पाया कि मिलिंग जितनी लंबी चलती रही, एल्युमीनियम के दानों को एक सघन, समान व्यवस्था में पुनर्गठित (recrystallize) करने में उतनी ही अधिक क्षमता मिली, जो एक मजबूत सामग्री के लिए आवश्यक है।

जब टीम ने इन प्री-ट्रीटेड पाउडरों को ठोस ब्लॉकों में ढाला, तो प्रदर्शन में अंतर स्पष्ट था। कम अवधि के लिए मिल किए गए पाउडरों से बने कंपोजिट में कमजोरी के संकेत दिखे, जहाँ बड़े कण दरारों के शुरुआती बिंदु के रूप में कार्य कर रहे थे। हालाँकि, पच्चीस घंटों तक उपचारित नमूनों ने मजबूती और लचीलेपन का एक उल्लेखनीय संयोजन प्रदर्शित किया। वे स्थायी रूप से विकृत होने से पहले 282 मेगापास्कल के बल को सहन कर सकते थे, और टूटने से पहले 341 मेगापास्कल तक टिके रहे, जबकि वे 12.4 प्रतिशत तक खिंच (stretch) भी गए। यह विस्तार (elongation) महत्वपूर्ण है; इसका अर्थ है कि सामग्री कांच की तरह टूट नहीं गई बल्कि ऊर्जा को सोखते हुए मुड़ी और खिंची। सफल नमूनों की फ्रैक्चर सतहों ने छोटे गड्ढों (dimples) का एक समान पैटर्न दिखाया, जो यह दर्शाता है कि सामग्री कमजोर स्थानों पर फटने के बजाय समान रूप से खिंची। इसके विपरीत, कम मिलिंग समय वाले नमूनों में बड़े, अनियमित कण दिखाई दिए जिन्होंने समय से पहले दरारें पैदा कर दी थीं।

यह अध्ययन पुष्टि करता है कि बॉल मिलिंग का प्री-ट्रीटमेंट इन उन्नत कंपोजिट्स के गुणों को अनुकूलित करने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है। केवल मिलिंग प्रक्रिया की अवधि को समायोजित करके, शोधकर्ता सुदृढ़ीकरण कणों के आकार और एल्युमीनियम मैट्रिक्स की आंतरिक संरचना को नियंत्रित कर सके। उनके प्रयोगों में पच्चीस घंटे का समय 'स्वीट स्पॉट' (सबसे उपयुक्त समय) प्रतीत हुआ, जहाँ कण इतने छोटे थे कि उन्हें पूरी तरह से बिखेरा जा सके और एल्युमीनियम की संरचना पर्याप्त रूप से परिष्कृत थी ताकि लचीलेपन से बहुत अधिक समझौता किए बिना मजबूती को अधिकतम किया जा सके। यह दृष्टिकोण एयरोस्पेस उपयोग के लिए पर्याप्त हल्के लेकिन उड़ान की कठोरताओं को संभालने के लिए पर्याप्त मजबूत एल्युमीनियम-आधारित सामग्रियां बनाने के लिए एक व्यावहारिक मार्ग प्रदान करता है। यह कार्य दर्शाता है कि सही तैयारी के साथ, एल्युमीनियम को सुदृढ़ करने के लिए हाई-एंट्रॉपी अलॉय की क्षमता को पूरी तरह से साकार किया जा सकता है, जिससे पाउडर के मिश्रण को आधुनिक इंजीनियरिंग की चरम मांगों को झेलने में सक्षम सामग्री में बदला जा सकता है।