Development of a Hybrid Wire–Powder DED-Arc Plasma System for Fabrication of WC Reinforced Low Carbon Steel Metal Matrix Composites
यह अध्ययन WC-प्रबलित लो कार्बन स्टील मेटल मैट्रिक्स कंपोजिट्स के निर्माण के लिए एक हाइब्रिड वायर-पाउडर प्लाज्मा आर्क डायरेक्टेड एनर्जी डिपोजिशन (DED) सिस्टम के सफल विकास और अनुकूलन को प्रदर्शित करता है, जो यह प्रकट करता है कि नियंत्रित थर्मल प्रबंधन और आंशिक WC विघटन दोषों को कम करने और यांत्रिक गुणों को बढ़ाने वाले अनुकूलित सूक्ष्म संरचनाओं को सक्षम करते हैं।
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एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ सबसे कठोर सामग्रियों और सबसे लचीली धातुओं को आवश्यकतानुसार एक साथ मिलाया जा सके, जिससे ऐसे पुर्जे तैयार हों जो भारी उद्योग के घर्षण को सहने के लिए पर्याप्त मजबूत हों और साथ ही इतने हल्के भी हों कि बिना सामग्री बर्बाद किए जटिल आकार बनाए जा सकें। यह मेटल मैट्रिक्स कंपोजिट (धातु मैट्रिक्स कंपोजिट) का वादा है, जो उन्नत सामग्रियाँ हैं जहाँ एक मजबूत धातु आधार को कठोर सिरेमिक कणों के साथ सुदृढ़ किया जाता है ताकि स्थायित्व और घर्षण प्रतिरोध को बढ़ाया जा सके। दशकों से, इन सामग्रियों को बनाना एक कठिन संतुलन कार्य रहा है, जिसके लिए अक्सर उच्च ताप और दबाव की आवश्यकता होती है जो इंजीनियरों द्वारा बनाए जा सकने वाले आकारों को सीमित कर देता है। अब, 3D प्रिंटिंग के एक विशेष रूप का उपयोग करने वाला एक नया दृष्टिकोण इन सामग्रियों को परत-दर-परत मिलाने का एक तरीका प्रदान कर रहा है, जो यह नियंत्रित करता है कि कठोर कण नरम धातु में ठीक कैसे बैठते हैं ताकि ऐसे घटक बनाए जा सकें जो पहले से कहीं अधिक मजबूत और घर्षण-प्रतिरोधी हों।
म्यूनिख तकनीकी विश्वविद्यालय और बार्सिलोना विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने इस क्षेत्र में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है, जिसमें उन्होंने एक ऐसा हाइब्रिड सिस्टम विकसित किया है जो एक ही मशीन में दो अलग-अलग फीडिंग विधियों को जोड़ता है। केवल पाउडर या तार पर निर्भर रहने के बजाय, उनका सेटअप मुख्य संरचना बनाने के लिए एक पतले स्टील के तार को फीड करता है और साथ ही इसे सुदृढ़ करने के लिए कठोर टंगस्टन कार्बाइड कणों की एक धारा को प्रवाहित करता है। यह प्रक्रिया, जिसे 'डायरेक्टेड एनर्जी डिपोजिशन' कहा जाता है, एक प्लाज्मा आर्क—आयनित गैस की एक अत्यधिक गर्म जेट—का उपयोग करती है जो धातु के आधार पर जमा होने के दौरान तार और कणों को एक साथ पिघला देती है। इसका लक्ष्य यह पता लगाना था कि इस प्रक्रिया को ठीक से कैसे ट्यून किया जाए ताकि कठोर कण बरकरार रहें और बिना किसी कमजोर बिंदु या दरार के समान रूप से वितरित हो सकें।
टीम ने मशीन को एक जटिल वाद्य यंत्र की तरह माना जिसे सटीक ट्यूनिंग की आवश्यकता थी। उन्होंने पाउडर वितरण प्रणाली के लिए सेटिंग्स के सही संयोजन को खोजने के लिए प्रयोगों की एक श्रृंखला चलाई, जिसमें विभिन्न आकार के नोजल, गैस की गति और पाउडर की आपूर्ति दर का परीक्षण किया गया। उन्होंने पाया कि नोजल का आकार और गैस की गति महत्वपूर्ण थे। यदि नोजल बहुत छोटा होता या गैस बहुत तेज़ होती, तो कण पिघली हुई धातु से टकराकर उछल जाते या छोटी वायु रिक्तिकाएं बना देते जो संरचना को कमजोर कर देतीं। एक विशिष्ट नोजल आकार और मध्यम गैस प्रवाह पर स्थिर होकर, वे एक ऐसा 'स्वीट स्पॉट' प्राप्त करने में सफल रहे जहाँ कण अस्थिरता पैदा किए बिना कुशलतापूर्वक पिघले हुए स्टील द्वारा पकड़ लिए गए। इस सावधानीपूर्वक अंशांकन ने उन्हें इस नए मिश्रित पदार्थ की मोटी, बहु-परतीय दीवारें बनाने में सक्षम बनाया।
एक बार जब मशीन ट्यून हो गई, तो शोधकर्ताओं ने निर्माण प्रक्रिया के दौरान ऊष्मा (हीट) को प्रबंधित करने पर ध्यान केंद्रित किया। उन्होंने अलग-अलग कूलिंग स्थितियों के तहत तीन प्रकार की दीवारें बनाईं ताकि यह देखा जा सके कि तापमान का अंतिम परिणाम पर क्या प्रभाव पड़ता है। एक सेट को बहुत तेज़ी से ठंडा किया गया, दूसरे को प्रीहीटिंग के साथ तेज़ी से ठंडा किया गया, और तीसरे को मानक, धीमी गति से ठंडा होने दिया गया। परिणामों ने दिखाया कि ऊष्मा का प्रबंधन मशीन की सेटिंग्स जितना ही महत्वपूर्ण था। जो नमूने प्रीहीटिंग के बिना बहुत तेज़ी से ठंडे हुए, उनमें बड़ी दरारें और विकृत आकार विकसित हो गए, क्योंकि तीव्र तापमान परिवर्तन ने धातु में बहुत अधिक तनाव पैदा कर दिया था। हालाँकि, जो नमूने प्रीहीट किए गए थे या धीरे-धीरे ठंडे हुए, वे बहुत सुंदर ढंग से टिके रहे, जिनमें दरारें बहुत कम थीं और एक बहुत ही चिकनी, अधिक समान आकृति थी।
जब शोधकर्ताओं ने इन सफल दीवारों की सूक्ष्म संरचना को करीब से देखा, तो उन्होंने पाया कि वहाँ एक दिलचस्प रासायनिक नृत्य हुआ था। जैसे ही टंगस्टन कार्बाइड के कण स्टील में पिघले, वे केवल वहीं नहीं रुके; वे आंशिक रूप से घुल गए, जिससे कार्बन और टंगस्टन परमाणु निकलकर आसपास की धातु में विसरित (डिफ्यूज) हो गए। इसने एक अनूठा, क्रमिक इंटरफेस बनाया जहाँ कठोर कण धीरे-धीरे स्टील में मिल गए, जिससे नए रासायनिक यौगिकों की एक सुरक्षात्मक परत बनी। ठंडा होने की गति ने यह निर्धारित किया कि स्टील किस रूप में बदलेगा: तेज़ी से ठंडे हुए नमूनों में अत्यंत कठोरता और भंगुरता आ गई, जो मार्टेंसाइट नामक संरचना के समान थी, जबकि धीरे-धीरे ठंडे हुए नमूनों ने अधिक मजबूत और लचीली संरचना विकसित की जिसे बैनिट (बैनिट) कहा जाता है। केवल कूलिंग रेट को बदलकर आंतरिक संरचना को नियंत्रित करने की यह क्षमता इंजीनियरों को विशिष्ट आवश्यकताओं के लिए सामग्री को अनुकूलित करने हेतु एक शक्तिशाली उपकरण प्रदान करती है।
यांत्रिक परीक्षणों ने पुष्टि की कि इन सूक्ष्म संरचनात्मक परिवर्तनों के वास्तविक दुनिया में परिणाम होते हैं। जो नमूने धीरे-धीरे ठंडे होने के लिए छोड़े गए थे, जिससे वे तेज़ कूलिंग वाले संस्करणों की अत्यधिक भंगुरता से बच गए, उन्होंने खींचने पर (पुलिंग के दौरान) उच्चतम शक्ति दिखाई, जो लगभग 900 मेगापास्कल तक पहुँच गई। घर्षण प्रतिरोध के मामले में, प्रीहीट किए गए नमूने सर्वश्रेष्ठ प्रदर्शन करने वाले थे, जिन्होंने एक कठोर गेंद के विरुद्ध रगड़ने पर सामग्री के नुकसान की सबसे कम दर दिखाई। यह सुझाव देता है कि जबकि सामग्री अविश्वसनीय रूप से कठोर है, इसे घर्षण के तहत छिलने या टूटने से बचने के लिए कुछ हद तक मजबूती (टफनेस) की भी आवश्यकता होती है। अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि यह हाइब्रिड वायर-एंड-पाउडर विधि इन उन्नत कंपोजिट्स के निर्माण का एक व्यवहार्य तरीका है, जो अनुकूलित घर्षण प्रतिरोध वाले बड़े, जटिल पुर्जे बनाने का मार्ग प्रशस्त करती है। हालाँकि, शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि उनके द्वारा उपयोग किए गए कणों का बड़ा आकार अभी भी कुछ अनुप्रयोगों के लिए एक सीमित कारक हो सकता है, और भविष्य का कार्य सामग्री के प्रदर्शन को और बेहतर बनाने के लिए छोटे कणों के उपयोग पर केंद्रित होगा।
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