Impact of Elemental Segregation on Active and Transpassive Corrosion Phenomenology of Additively Manufactured 316L
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि एडिटिवली मैन्युफैक्चर्ड 316L स्टेनलेस स्टील के नॉन-इक्विलिब्रियम माइक्रोस्ट्रक्चर के भीतर क्रोमियम (Cr), निकल (Ni) और मोलिब्डेनम (Mo) का एलिमेंटल सेग्रिगेशन, डिस्लोकेशन्स के बजाय, इसके एक्टिव और ट्रांसपैसिव संक्षारण व्यवहार को नियंत्रित करता है, जिसमें इष्टतम प्रोसेसिंग पैरामीटर्स वर्ोट (wrought) समकक्षों की तुलना में बेहतर संक्षारण प्रतिरोध प्रदान करते हैं।
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स्टेनलेस स्टील एक ऐसी सामग्री है जो अपनी शांति से परिभाषित होती है; यह न तो जंग खाता है, न ही दाग देता है, और न ही तत्वों के सामने घुटने टेकता है। यह लचीलापन क्रोमियम ऑक्साइड की एक पतली, अदृश्य ढाल से आता है जो सतह पर बनती है, जो पानी और हवा की संक्षारक शक्तियों के खिलाफ एक अवरोध के रूप में कार्य करती है। जब इंजीनियरों को ऐसे पुर्जों की आवश्यकता होती है जो जटिल, हल्के हों, या जिन्हें पारंपरिक सांचे में ढालना असंभव हो, तो वे एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग की ओर मुड़ते हैं, जिसे अक्सर 3D प्रिंटिंग कहा जाता है। धातु के एक एकल ब्लॉक को पिघलाने के बजाय, ये मशीनें वस्तुओं को परत दर परत बनाती हैं, जो एक उच्च-शक्ति वाले लेजर के साथ धातु के सूक्ष्म कणों को पिघलाती हैं। हालांकि यह विधि अविश्वसनीय डिजाइन स्वतंत्रता प्रदान करती है, लेकिन धातु के ठंडा होने का तरीका पारंपरिक कारखाने में ठंडा होने के तरीके से मौलिक रूप से भिन्न होता है। धातु इतनी तेजी से जम जाती है कि परमाणुओं के पास खुद को एक पूर्ण, समान पैटर्न में व्यवस्थित करने का समय नहीं होता। इसके बजाय, वे असंतुलन की स्थिति में फंस जाते हैं, जिससे एक सूक्ष्म परिदृश्य बनता है जहाँ विभिन्न तत्व समान रूप से फैलने के बजाय विशिष्ट स्थानों पर एकत्रित हो जाते हैं।
द दशकों से, वैज्ञानिक जानते थे कि परमाणुओं का यह असमान वितरण सामग्री को कमजोर कर सकता है, लेकिन इन नई, प्रिंटेड धातुओं के संक्षारण (corrosion) के नियमों को लेकर स्पष्टता की कमी थी। वर्जीनिया विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं के एक दल ने इन छिपे हुए पैटर्न का मानचित्रण करने और यह देखने के लिए प्रयास किया कि वे धातु के एसिड के संपर्क में आने पर घुलने के तरीके को कैसे बदलते हैं। उन्होंने 316L स्टेनलेस स्टील पर ध्यान केंद्रित किया, जो चिकित्सा प्रत्यारोपण और रासायनिक प्रसंस्करण में उपयोग किया जाने वाला एक सामान्य मिश्र धातु है, जिसे दो अलग-अलग प्रिंटिंग विधियों द्वारा उत्पादित किया गया था: एक जो लेजर के साथ पाउडर की परत को पिघलाता है, और दूसरा जो लेजर बीम के साथ एक तार को पिघलाता है। अपने प्रिंटेड नमूनों की तुलना पारंपरिक, रोल किए गए स्टील से करते हुए, शोधकर्ताओं ने पाया कि संक्षारण प्रक्रिया यादृच्छिक (random) नहीं है। यह एक सटीक, रासायनिक प्रतिक्रिया है जो इस बात से निर्धारित होती है कि तीव्र फ्रीजिंग प्रक्रिया के दौरान परमाणु कहाँ पहुंचे थे।
शोधकर्ताओं ने धातु की सूक्ष्म संरचना को देखकर शुरुआत की। पारंपरिक रोल किए गए स्टील में, क्रोमियम और मोलिब्डेनम जैसे तत्व पानी में घुली चीनी की तरह फैले होते हैं, जो एक समान मिश्रण बनाते हैं। हालाँकि, प्रिंटेड नमूनों में, तीव्र शीतलन ने एक अचानक जमाव की तरह कार्य किया, जिसने इन तत्वों को विशिष्ट क्षेत्रों में कैद कर दिया। पाउडर-आधारित प्रिंटिंग विधि में, धातु ने सूक्ष्म, कोशिका जैसी संरचनाओं का एक पैटर्न बनाया। इन कोशिकाओं की दीवारें सुरक्षात्मक तत्वों से समृद्ध हो गईं, जबकि केंद्र थोड़े खाली रह गए। वायर-आधारित विधि में, धीमी शीतलन ने मुख्य धातु के साथ मिलकर एक दूसरे प्रकार की क्रिस्टल संरचना बनाने की अनुमति दी, जिससे एक दो-चरणीय (two-phase) सामग्री बनी जहाँ एक चरण सुरक्षात्मक तत्वों से समृद्ध था और दूसरा निर्धन। टीम ने इन नमूनों को अम्लीय घोलों की एक श्रृंखला के संपर्क में रखा, जिनमें से कुछ में एक ऐसा रसायन था जो सुरक्षात्मक ऑक्साइड ढाल को हटा देता है, और अन्य में जो ढाल को पुनर्गठित होने की अनुमति देते हैं।
जब सुरक्षात्मक ढाल को हटा दिया गया, तो धातु सीधे एसिड में घुलने के लिए मजबूर हो गई। पारंपरिक स्टील में, सतह दाने दर दाने (grain by grain) समान रूप से घिस गई। लेकिन प्रिंटेड नमूनों में, हमला चयनात्मक था। पाउडर-आधारित नमूनों में, एसिड ने छोटी कोशिकाओं के केंद्रों को खा लिया, जिससे सुरक्षात्मक दीवारें खड़ी रह गईं, जिससे एक ऐसी सतह बनी जो तिनकों के खेत जैसी दिखती थी। वायर-आधारित नमूनों में, एसिड ने उस चरण को निशाना बनाया जो सुरक्षात्मक तत्वों में निर्धन था, जिससे समृद्ध चरण अछूता रहा और सतह से बाहर निकला हुआ दिखाई दिया। शोधकर्ताओं ने पाया कि इस विघटन की गति सीधे क्रोमियम और मोलिब्डेनम की स्थानीय सांद्रता से जुड़ी थी। जहाँ ये तत्व कम थे, वहाँ धातु तेजी से गायब हो गई। जहाँ वे प्रचुर मात्रा में थे, वहाँ धातु ने अपना स्थान बनाए रखा।
अध्ययन फिर उच्च ऊर्जा स्थितियों की ओर बढ़ा, जहाँ धातु को ऐसी स्थिति में धकेल दिया गया जहाँ सुरक्षात्मक ढाल भी टूटने लगती है। इस वातावरण में, नियम उलट गए। वे क्षेत्र जो पहले क्रोमियम और मोलिब्डेनम से समृद्ध होने के कारण सुरक्षित थे, सबसे अधिक असुरक्षित बन गए। एसिड ने इन समृद्ध क्षेत्रों पर पहले हमला किया, जिससे पाउडर-आधारित नमोंओं में सेल की दीवारों और वायर-आधारित नमूनों में सुरक्षात्मक चरण का विघटन हुआ। इस उलटफेर ने सिद्ध किया कि वही रासायनिक विशेषताएं जो एक स्थिति में धातु की रक्षा करती हैं, दूसरी स्थिति में उसे असुरक्षित बना सकती हैं, जो पूरी तरह से सतह पर लागू की गई ऊर्जा पर निर्भर करता है। शोधकर्ताओं ने पारंपरिक स्टील में कमजोरी की जांच करने के लिए उपयोग की जाने वाली एक मानक विधि, यानी उबलते एसिड समाधान में भी नमूनों का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि उच्चतम संक्षारण दर वाले प्रिंटेड नमूने अनिवार्य रूप से वे नहीं थे जिनमें रासायनिक पृथक्करण (chemical segregation) सबसे अधिक था, बल्कि वे थे जिनमें प्रिंटिंग प्रक्रिया के अवशेष के रूप में सूक्ष्म, अदृश्य खाली स्थान, या सरंध्रता (porosity) मौजूद थी। एक नमूना जिसमें इन रिक्तियों की थोड़ी सी भी मात्रा थी, वह समान रासायनिक संरचना वाले सघन नमूने की तुलना में तीन गुना तेजी से संक्षारित हुआ।
जांच का एक महत्वपूर्ण हिस्सा यह निर्धारित करना था कि इस चयनात्मक संक्षारण को क्या संचालित कर रहा है। कुछ समय से यह संदेह था कि तीव्र प्रिंटिंग के दौरान धातु की क्रिस्टल संरचना के भीतर फंसे दोषों (defects), जिन्हें विस्थापन (dislocations) कहा जाता है, का उच्च घनत्व ही कमजोरी का कारण हो सकता है। ये विस्थापन परमाणु कपड़े में झुर्रियों की तरह हैं, जो इतनी तेजी से ठंडा होने के तीव्र तनाव से उत्पन्न होते हैं। हालाँकि, शोधकर्ताओं ने पाया कि ये दोष प्राथमिक कारण नहीं थे कि धातु क्यों घुल रही है। संक्षारण पैटर्न रासायनिक मानचित्रों का अनुसरण कर रहे थे, न कि दोष मानचित्रों का। धातु वहां घुल रही थी जहां रसायन विज्ञान गलत था, चाहे वहां कितने भी परमाणु झुर्रियां मौजूद हों। यह अंतर महत्वपूर्ण है क्योंकि इसका अर्थ है कि प्रिंटेड धातुओं के संक्षारण प्रतिरोध में सुधार करने के लिए, इंजीनियरों को केवल परमाणु तनाव को चिकना करने पर ध्यान केंद्रित करने की आवश्यकता नहीं है, बल्कि यह सुनिश्चित करने की आवश्यकता है कि रासायनिक तत्व यथासंभव समान रूप से वितरित हों।
निष्कर्ष बताते हैं कि पारंपरिक स्टील में संक्षारण की जांच के लिए उपयोग किए जाने वाले मानक परीक्षणों को इन नई सामग्रियों पर लागू करते समय पुनर्व्याख्या करने की आवश्यकता हो सकती है। क्योंकि प्रिंटेड धातु की एक जटिल, गैर-समान संरचना होती है, इसलिए एक परीक्षण जो कुल द्रव्यमान हानि को मापता है, वह उन विशिष्ट, स्थानीयकृत तरीकों को मिस कर सकता है जिनसे सामग्री विफल हो रही है। शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि 3D-प्रिंटेड स्टील की स्थायता को वास्तव में समझने के लिए, एक को स्वयं संक्षारण के सूक्ष्म परिदृश्य को देखना होगा। धातु इसलिए विफल नहीं होती क्योंकि वह सामान्य अर्थ में त्रुटिपूर्ण है; वह इसलिए विफल होती है क्योंकि उसका आंतरिक भूगोल एसिड के अनुसरण के लिए विशिष्ट पथ बनाता है। इन पथों को समझकर, इंजीनियर प्रिंटिंग प्रक्रिया को समायोजित कर सकते हैं ताकि उस रासायनिक पृथक्करण को न्यूनतम किया जा सके जो इन कमजोरियों का कारण बनता है, यह सुनिश्चित करते हुए कि अगली पीढ़ी के प्रिंटेड पुर्जे उतने ही टिकाऊ हों जितने कि पारंपरिक स्टील जिन्हें वे बदलने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं।
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