Coupled Phase-Field and Lattice Boltzmann Modeling of Dendritic Growth and Bubble Entrapment during Solidification of an Al–4.5 wt.% Cu Alloy

जब पिघली हुई धातु ठंडी होकर ठोस में बदलती है, तो वह सिकुड़ जाती है। यह भौतिकी का एक मौलिक सत्य है जिसे कोई भी व्यक्ति देख सकता है जिसने पानी को बर्फ में जमते हुए देखा हो, हालांकि भट्टी में यह प्रभाव बहुत अधिक नाटकीय होता है। जैसे ही एल्युमिनियम मिश्र धातु तरल से ठोस में परिवर्तित होती है, वे अक्सर उन गैस के पॉकेटों को फँसा लेते हैं जो पिघलते समय उसमें घुले हुए थे। यदि ये गैस के पॉकेट बाहर नहीं निकल पाते, तो वे तैयार धातु के भीतर छोटे छेद या छिद्र (pores) बन जाते हैं। ये दोष सामग्री को कमजोर कर सकते हैं, जिससे यह तनाव के तहत टूटने के प्रति संवेदनशील हो जाता है। विमान या ऑटोमोबाइल बनाने वाले इंजीनियरों के लिए, यह समझना कि ये छेद कैसे बनते हैं और वे कहाँ समाप्त होते हैं, अत्यंत महत्वपूर्ण है। चुनौती इस तथ्य में निहित है कि धातु एक साथ नहीं जमती है; इसके बजाय, यह डेंड्राइट्स (dendrites) नामक पेड़ जैसी संरचनाओं में बढ़ती है। जैसे ही ये सूक्ष्म शाखाएं स्थान भरने के लिए बाहर की ओर बढ़ती हैं, वे ऊपर उठने वाले गैस के बुलबुलों के मार्ग को अवरुद्ध कर सकती हैं, जिससे उन्हें अंतिम ठोस के भीतर फँसा लिया जाता है। इस प्रक्रिया को स्पष्ट रूप से देखने के लिए, शोधकर्ताओं को एक ऐसे पैमाने पर देखना पड़ता है जो नग्न आंखों के लिए बहुत छोटा है और एक ऐसी गति पर जो मानक कैमरों के लिए पकड़ पाना बहुत तेज़ है।

इस पहेली को सुलझाने के लिए, शीआन यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी और सुझोऊ लेबोरेटरी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने कंप्यूटर सिमुलेशन और वास्तविक दुनिया के अवलोकन के एक शक्तिशाली संयोजन की ओर रुख किया। उन्होंने एक एल्युमिनियम मिश्र धातु पर ध्यान केंद्रित किया जिसमें 4.5 प्रतिशत कॉपर (तांबा) शामिल है, जो उद्योग में व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली सामग्री है। उनका लक्ष्य बढ़ते हुए धातु के क्रिस्टल और ऊपर उठते गैस के बुलबुलों के बीच के जटिल नृत्य का मानचित्रण करना था। उन्होंने एक परिष्कृत कंप्यूटर मॉडल बनाया जो दो चीजों को एक साथ ट्रैक कर सकता था: ठोस होती धातु का आकार और तरल के भीतर गैस के बुलबुलों की गति। इस मॉडल ने उन्हें धीमी गति (slow motion) में यह देखने की अनुमति दी कि धातु की शाखाएं कैसे बढ़ीं और बुलबुले गाढ़े होते तरल के माध्यम से ऊपर उठने का प्रयास कैसे करते रहे। यह सुनिश्चित करने के लिए कि उनका डिजिटल संसार वास्तविकता से मेल खाता है, उन्होंने भौतिक प्रयोग भी किए। उन्होंने उसी एल्युमिनियम मिश्र धातु को पिघलाया, उसके भीतर हाइड्रोजन गैस की मात्रा को नियंत्रित किया, और उसे एक विशिष्ट तरीके से ठंडा होने दिया। फिर उन्होंने धातु की छड़ों को काटा और उच्च-शक्ति वाले सूक्ष्मदर्शी और 3D एक्स-रे स्कैनर के साथ उनकी जांच की ताकि यह देखा जा सके कि छेद वास्तव में कहाँ समाप्त हुए।

शोधकर्ताओं ने पाया कि गैस के बुलबुले का व्यवहार पूरी तरह से इस बात पर निर्भर करता है कि वह किस प्रकार की धातु संरचना का सामना करता है। एक परिदृश्य में, धातु एक यादृच्छिक, तारे जैसी पैटर्न में बढ़ती है जिसे इक्वीएक्सड ग्रोथ (equiaxed growth) कहा जाता है। यहाँ, शाखाएं सभी दिशाओं में बाहर की ओर निकलती हैं, जिससे एक उलझा हुआ जाल तेजी से बनता है। जैसे-जैसे यह जाल कसता जाता है, यह शाखाओं के बीच के तरल चैनलों को इतना सिकोड़ देता है कि वे एक बुलबुले के गुजरने के लिए बहुत संकीले हो जाते हैं। बुलबुला फंस जाता है, और तरल के एक छोटे पॉकेट में कैद हो जाता है जो अंततः उसके चारों ओर जम जाता है। क्योंकि धातु सभी दिशाओं में समान रूप से बढ़ती है, फंसा हुआ बुलबुला लगभग गोल रहता है, जो कई धातु कणों (grains) के मिलन स्थल पर अलग-थलग बैठा होता है। कंप्यूटर सिमुलेशन ने इसे स्पष्ट रूप से दिखाया, और भौतिक प्रयोगों ने इसकी पुष्टि की: एक्स-रे स्कैन ने बिना किसी विशिष्ट दिशा के, बिखरे हुए गोल छिद्र दिखाए, जैसा कि मॉडल ने भविष्यवाणी की थी।

एक अलग परिदृश्य में, धातु लंबी, समानांतर स्तंभों में बढ़ती है, जिसे कॉलमर ग्रोथ (columnar growth) कहा जाता है। यह तब होता है जब गर्मी को एक विशिष्ट दिशा में खींचा जाता है, जिससे धातु की शाखाएं सीधे पेड़ों के जंगल की तरह बढ़ने के लिए मजबूर होती हैं। इस वातावरण में, गैस के बुलबुलों के पास यात्रा करने का एक स्पष्ट मार्ग होता है। वे स्तंभों के बीच के चैनलों का अनुसरण करते हुए ऊपर की ओर उठते हैं। हालाँकि, जैसे-जैसे स्तंभ लंबे और मोटे होते जाते हैं, वे अंततः बुलबुलों के पास पहुँच जाते हैं। धातु की शाखाओं के आगे बढ़ते सिरों (tips) के बुलबुलों को धकेलने से वे उन्हें टेफी (taffy) की तरह खींच देते हैं। गोल रहने के बजाय, बुलबुले लंबे, कीड़े जैसे आकार में खिंच जाते हैं जो बिल्कुल उसी दिशा में संरेखित होते हैं जिस दिशा में धातु बढ़ रही थी। सिमुलेशन ने इन बुलबुलों को एक श्रृंखला जैसी संरचना में फँसते हुए दिखाया, और भौतिक प्रयोगों ने इसकी पूरी तरह से पुष्टि की। एक्स-रे छवियों ने विकास की दिशा के समानांतर चलते हुए लंबे, रिबन जैसे छिद्र दिखाए, जिससे पुष्टि हुई कि धातु ने वास्तव में ठोस होते समय गैस को पकड़ लिया और खींच लिया था।

अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि बुलबुलों के फँसे जाने से पहले तरल धातु की गति उनके आकार को कैसे प्रभावित करती है। जब तरल स्थिर होता है, तो सतही तनाव (surface tension) एक तंग त्वचा की तरह कार्य करता है, जो बुलबुले को गोल रखता है। लेकिन जैसे-जैसे तरल चलता है या बुलबुला तेजी से ऊपर उठता है, चलते हुए तरल का बल बुलबुले को चपटा करने लगता है। यदि सतही तनाव कमजोर है, तो बुलबुला इतना खिंच सकता है कि वह दो छोटे बुलबुलों में टूट जाए, जो फिर अलग-अलग ऊपर उठते हैं और बाद में फिर से मिल सकते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि अंतिम छिद्र का आकार ऊपर की ओर धकेलने वाले उत्प्लावकता (buoyancy) और गाढ़ी होती धातु द्वारा धीमा करने वाले प्रतिरोध के बीच के खींचतान (tug-of-war) द्वारा निर्धारित होता है। उन्होंने यह भी नोट किया कि इन बुलबुलों की उपस्थिति धातु की वृद्धि को भी थोड़ा धीमा कर देती है, क्योंकि बुलबुले उस स्थान को घेर लेते हैं जिसे अन्यथा ठोस धातु घेर लेती।

डिजिटल सिमुलेशन को भौतिक प्रमाण के साथ जोड़कर, टीम ने एक स्पष्ट चित्र प्रदान किया कि धातु कास्टिंग में दोष कैसे बनते हैं। उन्होंने दिखाया कि छिद्र का आकार यादृच्छिक नहीं है; यह इस बात का सीधा रिकॉर्ड है कि धातु उसके चारों ओर कैसे बढ़ी। यदि धातु एक यादृच्छिक जाल के रूप में बढ़ी, तो छेद गोल और बिखरे हुए हैं। यदि धातु सीधी रेखाओं में बढ़ी, तो छेद लंबे और संरेखित हैं। यह समझ इंजीनियरों को धातु के पुर्जों की गुणवत्ता का पूर्वानुमान लगाने और उसे नियंत्रित करने का एक नया तरीका देती है। यह जानकर कि धातु कैसे बढ़ती है, वे कूलिंग प्रक्रिया को इस तरह समायोजित कर सकते हैं कि या तो बुलबुलों को बनने से रोका जा सके या यह सुनिश्चित किया जा सके कि यदि वे बनते हैं, तो वे ऐसे आकार और स्थान में हों जो अंतिम उत्पाद के लिए सबसे कम हानिकारक हो। यह कार्य सूक्ष्म भौतिकी की अदृश्य दुनिया और मजबूत, विश्वसनीय धातु संरचनाओं की मूर्त वास्तविकता के बीच के अंतर को पाटता है।