Effect of Metal Transfer Mode on Local Chemical Inhomogeneity in Dual-Wire Electron Beam Additive Manufacturing of Nitinol

एयरोस्पेस और ऊर्जा की उच्च-जोखिम वाली दुनिया में, इंजीनियर निकलटिनॉल (Nitinol) नामक एक अद्भुत सामग्री पर भरोसा करते हैं। यह निकल और टाइटेनियम का एक धातु मिश्र धातु है जिसमें अपने मूल आकार को याद रखने की एक अनूठी क्षमता होती है। यदि इसे मोड़ा या मरोड़ा जाता है, तो यह गर्म करने पर अपने शुरुआती रूप में वापस आ सकता है, जिसे 'शेप मेमोरी इफेक्ट' (आकार स्मृति प्रभाव) के रूप में जाना जाता है। यह व्यवहार केवल एक जिज्ञासा नहीं है; यह मेडिकल स्टेंट से लेकर एयरोस्पेस एक्चुएटर्स तक के उपकरणों के लिए एक कार्यात्मक आवश्यकता है। हालाँकि, यह सामग्री अपने सटीक रासायनिक संयोजन के प्रति अत्यधिक संवेदनशील है। निकल और टाइटेनियम के अनुपात में एक मामूली बदलाव भी—एक प्रतिशत के दसवें हिस्से से भी कम—उस तापमान को नाटकीय रूप से बदल सकता है जिस पर धातु अपना चरण (फेज) बदलती है, जिससे यह अपने इच्छित उद्देश्य के लिए बेकार हो जाती है। रासायनिक रूप से पूर्ण और जटिल, लगभग अंतिम रूपों में ढली हुई निकलटिनॉल बनाना लंबे समय से एक विनिर्माण चुनौती रही है, क्योंकि पारंपरिक तरीके महंगे हैं और जटिल ज्यामिति के साथ संघर्ष करते हैं।

इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग (additive manufacturing) नामक एक तकनीक की ओर रुख किया है, जो अनिवार्य रूप से धातु के साथ 3D प्रिंटिंग है। ड्यूल-वायर इलेक्ट्रॉन बीम एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग (dual-wire electron beam additive manufacturing) के रूप में जानी जाने वाली एक विशिष्ट भिन्नता में, दो अलग-अलग तारों—एक निकल का और एक टाइटेनियम का—को एक वैक्यूम चैंबर में डाला जाता है जहाँ इलेक्ट्रॉनों की एक शक्तिशाली किरण उन्हें परत-दर-परत बनाने के लिए एक साथ पिघलाती है। लक्ष्य यह है कि जब वे पिघलें तो दोनों धातुओं को पूरी तरह से मिला दिया जाए, जिससे भाग के निचले हिस्से से ऊपरी हिस्से तक एक समान मिश्र धातु बनाई जा सके। फिर भी, व्यवहार में, यह प्रक्रिया अक्सर धातुओं को समान रूप से मिलाने में विफल रहती है। सामग्री के छोटे पॉकेट में बहुत अधिक निकल या बहुत अधिक टाइटेनियम रह जाता है। ये रासायनिक असंतुलन भंगुर क्षेत्र (brittle zones) बनाते हैं जो भाग को कमजोर करते हैं और उसकी शेप-मेमोरी क्षमताओं को नष्ट कर देते हैं। वैज्ञानिक समुदाय के सामने प्रश्न केवल यह नहीं था कि ये दोष क्यों मौजूद थे, बल्कि यह भी था कि वे क्यों होते हैं और उन्हें कैसे रोका जाए।

मॉस्को पावर इंजीनियरिंग इंस्टीट्यूट और परम नेशनल रिसर्च पॉलिटेक्निक यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम इन रासायनिक दोषों के मूल कारण का पता लगाने के लिए आगे बढ़ी। उन्होंने एक एकल, समायोज्य चर (variable) पर ध्यान केंद्रित किया: वह कोण जिस पर दोनों तारों को पिघले हुए पूल (molten pool) में डाला जाता है। अपने प्रयोगों में, उन्होंने तीन अलग-अलग सेटअपों का परीक्षण किया। पहले में, तारों को तीस डिग्री पर एक-दूसरे की ओर तीखे कोण पर लाया गया था। दूसरे में, उन्हें पंद्रह डिग्री के हल्के कोण पर रखा गया था। तीसरे में, तारों को समानांतर (parallel) रूप से एक-दूसरे के बगल में चलाया गया था, जिसमें कोई अभिसरण कोण (convergence angle) नहीं था। इस कोण को बदलकर, वे देख सकते थे कि तरल धातुएं भाग के रूप में जमने से पहले कैसे व्यवहार करती हैं।

अदृश्य, अत्यधिक गर्म पिघले हुए पूल के भीतर क्या हो रहा है, यह देखने के लिए शोधकर्ताओं ने हाई-स्पीड कैमरों और उन्नत कंप्यूटर सिमुलेशन के संयोजन का उपयोग किया। हजारों फ्रेम प्रति सेकंड कैप्चर करने में सक्षम कैमरों ने उन्हें तारों को पिघलते हुए देखने की अनुमति दी। कंप्यूटर मॉडल, जो तरल धातु के लाखों सूक्ष्म कणों की गति को ट्रैक करते थे, उन्हें सतह के तनाव (surface tension) और ऊष्मा प्रवाह जैसे बलों को समझने में मदद करते थे। उन्होंने पाया कि तारों का कोण यह तय करता था कि धातुएं पूल में ठीक कैसे प्रवेश करती हैं। जब तारों को तीस डिग्री के कोण पर रखा गया था, तो निकल का तार अनियमित व्यवहार करता था। चूंकि निकल और टाइटेनियम के सतह तनाव अलग-अलग होते हैं, इसलिए निकल बड़ी बूंदें बनाने की प्रवृत्ति रखता था जो टाइटेनियम से अलग होकर पूल में गिर जाती थीं। इस असिंक्रोनस डिलीवरी (asynchronous delivery) का अर्थ था कि कुछ क्षणों के लिए, पूल केवल एक धातु से भर जाता था, जिससे दूसरे धातु के आने से पहले ही रासायनिक असंतुलन के पॉकेट बन जाते थे।

जब तारों को पंद्रह डिग्री के कोण पर रखा गया, तो स्थिति में थोड़ा सुधार हुआ, लेकिन धातुएं अभी भी दो अलग-अलग रास्तों से पूल में प्रवेश करती थीं, जो पूरी तरह से इलेक्ट्रॉन बीम की घूमती हुई गति (swirling motion) पर निर्भर करती थीं। हालाँकि, जब शोधकर्ताओं ने तारों को समानांतर रूप से फीड किया, तो व्यवहार मौलिक रूप से बदल गया। दोनों तार मुख्य पूल में पूरी तरह से प्रवेश करने से पहले ही आपस में जुड़ गए और पिघल गए। धातु के दो अलग-अलग धाराओं के बजाय, उन्होंने एक एकल, स्थिर पुल (bridge) बनाया जो पहले से ही आंशिक रूप से मिश्रित अवस्था में पूल में प्रवाहित हुआ। इस प्रारंभिक मिश्रण का अर्थ था कि निकल और टाइटेनियम प्रतिस्पर्धी, अलग-अलग बूंदों के बजाय एक एकीकृत धारा के रूप में पूल में पहुंचे।

इस सरल समायोजन के परिणाम नाटकीय थे। तीस डिग्री के कोण वाले नमूनों में, रासायनिक संरचना में भारी उतार-चढ़ाव देखा गया, जहाँ आदर्श मिश्रण से विचलन कुछ स्थानों पर दस प्रतिशत तक पहुँच गया। इन नमूनों के मेटालोग्राफिक विश्लेषण (metallographic analysis) ने एक अराजक संरचना को प्रकट किया जो भंगुर, अवांछित चरणों से भरी थी जो भाग को टूटने के प्रति संवेदनशील बनाती थी। इसके विपरीत, समानांतर तार फीडिंग से बने नमूनों ने उल्लेखनीय रूप से समान रासायनिक संरचना दिखाई। आदर्श मिश्रण से विचलन घटकर आधा प्रतिशत से भी कम रह गया। इन नमूनों की आंतरिक संरचना सुसंगत थी, जो वांछित मिश्र धातु के एक सजातीय मैट्रिक्स (homogeneous matrix) को दर्शाती थी जिसका कठोरपन भाग की चौड़ाई में समान रूप से वितरित था।

शोधकर्ताओं ने यह भी मापा कि धातु कितनी देर तक तरल रहती है और पूल के भीतर कितनी तेजी से चलती है। उन्होंने पाया कि समानांतर फीडिंग विधि ने धातु को काफी लंबे समय तक—लगभग 1.04 सेकंड तक—तरल अवस्था में रखा, जबकि एंगल्ड (angled) विधि में यह आधा सेकंड से भी कम था। इस अतिरिक्त समय ने, तेज प्रवाह गति के साथ मिलकर, धातुओं को ठंडा होने और जमने से पहले अच्छी तरह से मिश्रित होने के लिए एक बहुत बड़ा अवसर प्रदान किया। एंगल्ड सेटअप में, पूर्ण मिश्रण के लिए खिड़की इतनी संकीर्ण थी कि धातुएं पूरी तरह से मिलने से पहले ही जम जाती थीं। समानांतर सेटअप ने एक उदार मार्जिन प्रदान किया, यह सुनिश्चित करते हुए कि भाग के सख्त होने से बहुत पहले ही रासायनिक संरचना समरूप (homogenized) हो जाए।

यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि वायर फीड की ज्यामिति केवल एक मामूली विवरण नहीं है, बल्कि अंतिम उत्पाद की गुणवत्ता को नियंत्रित करने वाला कारक है। तारों को समानांतर चलाने के लिए संरेखित करके, शोधकर्ताओं ने उस अराजक बूंद निर्माण को समाप्त कर दिया जो रासायनिक पृथक्करण (chemical segregation) का कारण बनता था। उन्होंने सिद्ध किया कि मुख्य पूल से टकराने से पहले धातुओं को मिलाना ही त्रुटिहीन मिश्र धातु बनाने की कुंजी है। उनके निष्कर्ष उन निर्माताओं के लिए एक स्पष्ट, व्यावहारिक मार्ग प्रदान करते हैं जिन्हें महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक सटीकता के साथ उच्च-प्रदर्शन वाले निकलटिनॉल भाग बनाने की आवश्यकता है। समाधान के लिए नई सामग्रियों या अधिक जटिल मशीनरी की आवश्यकता नहीं थी, बल्कि तरल धातुओं के व्यवहार और उन्हें कैसे वितरित किया जाता है, इसकी गहरी समझ और एक सरल समायोजन की आवश्यकता थी।