Influence of non-ferromagnetic Al/Cr ratio on microstructure, magnetic and corrosion properties of medium-entropy alloys
यह अध्ययन प्रकट करता है कि Fe₂Co₄AlₓCrᵧ मीडियम-एन्ट्रॉपी मिश्र धातुओं में Al/Cr अनुपात को समायोजित करना सूक्ष्म संरचनात्मक विकास को FCC+BCC से BCC+B2 चरणों की ओर संचालित करता है, जिससे कठोरता, मृदु चुंबकीय गुणों और संक्षारण प्रतिरोध में महत्वपूर्ण वृद्धि होती है, जिसमें Fe₂Co₄Al₁.₈Cr₁.₂ मिश्र धातु को उच्च संतृप्ति चुंबकत्व, निम्न कोएर्सिविटी और अच्छे संक्षारण प्रदर्शन के इष्टतम संतुलन के कारण मृदु चुंबकीय अनुप्रयोगों के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार के रूप में पहचाना गया है।
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सामग्री विज्ञान की दुनिया में, इंजीनियर लगातार ऐसे धातुओं की तलाश में रहते हैं जो केवल एक आकार बनाए रखने से कहीं अधिक कर सकें। वे ऐसे मिश्र धातु (alloys) चाहते हैं जो मशीनों के निर्माण के लिए पर्याप्त मजबूत हों, कठोर वातावरण में जीवित रहने के लिए पर्याप्त प्रतिरोधी हों, और चुंबकीय क्षेत्रों के साथ परस्पर क्रिया करने के लिए पर्याप्त संवेदनशील हों। दशकों से, ध्यान 'हाई-एन्ट्रॉपी अलॉय' पर रहा है, जो पांच या अधिक तत्वों को लगभग समान मात्रा में मिलाकर बनाई गई धातुओं की एक श्रेणी है। ये मिश्रण एक अराजक परमाणु संरचना बनाते हैं जो अक्सर आश्चर्यजनक मजबूती और स्थिरता की ओर ले जाता है। एक थोड़ा कम भीड़भाड़ वाला 'कजिन', जिसे 'मीडियम-एन्ट्रॉपी अलॉय' कहा जाता है, तीन या चार मुख्य तत्वों का उपयोग करता है। हालांकि वे उसी अराजक परमाणु भावना को साझा करते हैं, ये मिश्र धातु वैज्ञानिकों को विशिष्ट गुणों को बदलने के लिए एक अधिक प्रबंधनीय मंच प्रदान करते हैं। चुनौती सही संतुलन खोजने में निहित है: धातु को कठोर बनाने के लिए एक तत्व जोड़ने से अनजाने में इसकी चुंबकत्व या जंग के प्रति प्रतिरोध की क्षमता खराब हो सकती है। इन प्रतिस्पर्धी जरूरतों को कैसे संतुलित किया जाए, इसे समझना इलेक्ट्रिक मोटर्स से लेकर चिकित्सा उपकरणों तक, सब कुछ के लिए अगली पीढ़ी की सामग्री डिजाइन करने की कुंजी है।
गुआंग्शी मिनज़ू विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने हाल ही में इस क्षेत्र के भीतर एक विशिष्ट पहेली को हल करने का प्रयास किया। उन्होंने मुख्य रूप रूप से आयरन (लोहा) और कोबाल्ट से बने मध्यम-एन्ट्रॉपी मिश्र धातुओं के एक परिवार पर ध्यान केंद्रित किया, जो दो ऐसे तत्व हैं जो अपने मजबूत चुंबकीय खिंचाव के लिए जाने जाते हैं। इन चुंबकीय आधारों में, उन्होंने एल्युमीनियम और क्रोमियम जोड़ा, जो दो गैर-चुंबकीय तत्व हैं और शक्तिशाली नियामक के रूप में कार्य करते हैं। शोधकर्ताओं ने केवल इन सामग्रियों को यादृच्छिक रूप से नहीं जोड़ा; उन्होंने नमूनों की एक श्रृंखला में एल्युमीनियम से क्रोमियम के अनुपात को सावधानीपूर्वक समायोजित किया। उनका लक्ष्य यह देखना था कि इस संतुलन को बदलने से धातु की आंतरिक संरचना, इसकी खरोंच प्रतिरोध क्षमता, इसके चुंबकीय व्यवहार और खारे वातावरण में संक्षारण (corrosion) के प्रति इसकी प्रतिरोधक क्षमता कैसे बदलती है। दूषण (contamination) को रोकने के लिए वैक्यूम में उच्च-शुद्धता वाले आयरन, कोबाल्ट, एल्युमीनियम और क्रोमियम को एक साथ पिघलाकर, उन्होंने छह अलग-अलग मिश्र धातुओं का एक सेट बनाया, जिनमें से प्रत्येक का नुस्खा (recipe) थोड़ा अलग था।
जब वैज्ञानिकों ने एक्स-रे विवर्तन (X-ray diffraction) और इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी का उपयोग करके इन धातुओं के भीतर देखा, तो उन्हें परिवर्तन की एक स्पष्ट कहानी दिखाई दी। सबसे कम एल्युमीनियम वाला नमूना दो अलग-अलग परमाणु व्यवस्थाओं, जिन्हें फेस-सेंटर्ड क्यूबिक (fcc) और बॉडी-सेंटर्ड क्यूबिक (bcc) संरचनाएं कहा जाता है, के मिश्रण के रूप में शुरू हुआ। जैसे-जैसे उन्होंने एल्युमीनियम की मात्रा बढ़ाई, आंतरिक परिदृश्य बदल गया। एक नई, अत्यधिक व्यवस्थित संरचना जिसे B2 चरण (phase) कहा जाता है, प्रकट होने और बढ़ने लगी। यह चरण धातु के भीतर एक पूरी तरह से व्यवस्थित ग्रिड की तरह है, जो अन्य नमूनों में पाए जाने वाले अधिक यादृच्छिक व्यवस्थाओं से अलग है। अपनी श्रृंखला के मध्य में एक विशिष्ट बिंदु पर, धातु में क्षण भर के लिए तीन अलग-अलग चरणों का सह-अस्तित्व रहा, लेकिन जैसे-जैसे एल्युमीनियम बढ़ता गया, संरचना एक स्थिर द्वि-चरणीय अवस्था में स्थिर हो गई, जो बॉडी-सेंटर्ड क्यूबिक और व्यवस्थित B2 संरचनाओं द्वारा संचालित थी। यह बदलाव परमाणुओं के आकार के अंतर द्वारा संचालित था; बड़े एल्युमीनियम परमाणुओं ने क्रिस्टल लैटिस को विस्तारित करने के लिए मजबूर किया, जिससे परमाणुओं को इन नई, अधिक व्यवस्थित पैटर्न में पुनर्गठित होने के लिए मजबूर होना पड़ा।
इस पुनर्गठन का धातु की कठोरता पर सीधा और नाटकीय प्रभाव पड़ा। कठोरता, जो किसी सामग्री के खरोंच या डेंट के प्रति प्रतिरोध को मापती है, केवल सीधी रेखा में ऊपर या नीचे नहीं गई। इसके बजाय, जैसे-जैसे एल्युमीनियम की मात्रा बढ़ी, यह तेजी से बढ़ी, और एक विशिष्ट मध्यवर्ती स्तर पर अपने शिखर पर पहुँच गई। इस बिंदु पर, धातु अपने विभिन्न आंतरिक चरणों के बीच की सीमाओं से अविश्वसनीय रूप से घनी थी, जिससे एक जटिल नेटवर्क बन गया जिसने सामग्री के माध्यम से दोषों (defects) के गुजरने को बहुत कठिन बना दिया। इसने मिश्र धातु को उसके सबसे कठोर बिंदु पर मूल सामग्री की तुलना में काफी अधिक मजबूत बना दिया। हालांकि, जैसे ही शोधकर्ताओं ने इस शिखर के आगे और अधिक एल्युमीनियम जोड़ा, कठोरता धीरे-धीरे घटने लगी, हालांकि यह मूल मिश्रण की तुलना में काफी उच्च बनी रही। धातु अधिक एकसमान हो गई थी, और हालांकि इसने खरोंच के प्रति उस चरम प्रतिरोध को खो दिया, फिर भी इसने शक्ति का एक पर्याप्त स्तर बनाए रखा।
मिश्र धातुओं के चुंबकीय व्यवहार ने एक और भी सम्मोहक कहानी बताई। आयरन और कोबाल्ट स्वाभाविक रूप से चुंबकीय होते हैं, लेकिन मिश्रण में क्रोमियम की उपस्थिति इस चुंबकत्व को कमजोर करने की प्रवृत्ति रखती है क्योंकि यह एक प्रकार की अंतःक्रिया पैदा करती है जो चुंबकीय खिंचाव को रद्द कर देती है। एल्युमीनियम की मात्रा बढ़ाकर और क्रोमियम को कम करके, शोधकर्ताओं ने प्रभावी रूप से इस रद्दीकरण प्रभाव को शांत कर दिया। जैसे-जैसे एल्युमीनियम की मात्रा बढ़ी, धातु की चुंबकित होने की क्षमता बढ़ती गई, और अंततः एक उच्च पठार (plateau) तक पहुँच गई। साथ ही, धातु का चुंबकित और विचुंबकित होना बहुत आसान हो गया, जिसे निम्न कोएर्सिविटी (low coercivity) कहा जाता है, जो इलेक्ट्रॉनिक्स में उपयोग किए जाने वाले सॉफ्ट मैग्नेटिक मैटेरियल्स के लिए आवश्यक है। सर्वश्रेष्ठ प्रदर्शन करने वालों में से उच्चतम एल्युमीनियम सामग्री वाले नमूने ने सबसे मजबूत चुंबकीय खिंचाव दिखाया और अपनी चुंबकीय अवस्था बदलने में सबसे कम प्रतिरोध दिखाया, जो इसे उच्च-प्रदर्शन वाले चुंबकीय अनुप्रयोगों के लिए एक आदर्श उम्मीदवार बनाता है।
संक्षारण प्रतिरोध (corrosion resistance), या खारे पानी में जंग लगने के प्रति प्रतिरोध, एक अधिक जटिल मार्ग का अनुसरण करता है। शोधकर्ताओं ने यह देखने के लिए कि धातु कितनी जल्दी खराब होती है, एक नमक के घोल में मिश्र धातुओं का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि सबसे कम एल्युमीनियम सामग्री वाले धातु का रासायनिक विभव (chemical potential) बहुत स्थिर था, जिसका अर्थ है कि वह स्वाभाविक रूप से संक्षारण शुरू करने के प्रति अनिच्छुक था। हालांकि, जैसे ही वे अपनी श्रृंखला के मध्य की ओर बढ़े, संक्षारण प्रतिरोध काफी गिर गया। ऐसा इसलिए हुआ क्योंकि मध्य के नमूनों में तीन अलग-अलग चरणों के जटिल मिश्रण ने धातु के भीतर सूक्ष्म विद्युत सर्किट बना दिए, जिससे जंग लगने की प्रक्रिया तेज हो गई। लेकिन जैसे-जैसे वे उच्च-एल्युमीनियम छोर की ओर बढ़े, संक्षारण प्रतिरोध फिर से सुधर गया। उच्चतम एल्युमीनियम सामग्री वाले मिश्र धातुओं ने उनकी सतह पर ऑक्साइड की एक बहुत ही घनी, सुरक्षात्मक परत बनाई, जिसने नमक के खिलाफ एक ढाल के रूप में कार्य किया। इस उच्च-एलमीनियम समूह में एक विशिष्ट मिश्र धातु ने सबसे अच्छा समग्र संरक्षण दिखाया, जिसने एक निष्क्रिय फिल्म (passive film) बनाई जो अविश्वसनीय रूप से स्थिर और टूटने के प्रति प्रतिरोधी थी।
इस कार्य का अंतिम निष्कर्ष यह है कि केवल दो गैर-चुंबकीय सामग्रियों के अनुपात को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, शोधकर्ता धातु को विभिन्न शक्तियों की ओर मोड़ सकते थे। उन्होंने एक विशिष्ट मिश्र धातु की पहचान की जो सभी वांछित गुणों का एक उल्लेखनीय संयोजन प्रदान करती है। इस सामग्री में उच्च कठोरता, मजबूत खिंचाव और निम्न प्रतिरोध के साथ उत्कृष्ट चुंबकीय प्रदर्शन, और संक्षारण के विरुद्ध अच्छी सुरक्षा थी। हालांकि यह जंग के प्रति दूसरे नमूने की तुलना में पूर्णतः सर्वश्रेष्ठ नहीं था, लेकिन यह एकमात्र ऐसा था जिसने सफलतापूर्वक तीनों महत्वपूर्ण गुणों को संतुलित किया। यह खोज बताती है कि इंजीनियर अब मध्यम-एन्ट्रॉपी मिश्र धातुओं को सटीकता के साथ डिजाइन कर सकते हैं, और सटीक रासायनिक रेसिपी चुन सकते हैं जिससे उन्नत विद्युत उपकरणों और माइक्रोनिक इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए मजबूत, चुंबकीय और टिकाऊ सामग्रियां बनाई जा सकें।
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