Microstructure homogeneity control of GH4706 superalloy turbine disc prepared by integral hot forming
यह अध्ययन एक बहु-स्तरीय सिमुलेशन और प्रयोगात्मक डिजाइन ढांचे के माध्यम से मोटे मिश्रित दानों (coarse mixed grains) को समाप्त करने और समान सूक्ष्म संरचना प्राप्त करने के लिए पारंपरिक तापमान समायोजन के बजाय प्री-फोर्जिंग डाई ज्यामिति को अनुकूलित करने को प्राथमिकता देते हुए, अल्ट्रा-लार्ज GH4706 सुपरअलॉय टर्बाइन डिस्क के लिए एक समरूपता-उन्मुख नियंत्रण रणनीति का प्रस्ताव करता है और उसे मान्य करता है।
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एक विशाल गैस टरबाइन के हृदय के भीतर, जो ऐसी गति से घूमती है जो अधिकांश धातुओं को चकनाचूर कर सकती है, एक एकल, महत्वपूर्ण घटक स्थित होता है: टरबाइन डिस्क। यह डिस्क इंजन का आधार है, जो उन ब्लेडों को थामे रखती है जो बिजली उत्पन्न करने के लिए अत्यधिक गर्म गैस की शक्ति का उपयोग करते हैं। इस वातावरण में जीवित रहने के लिए, डिस्क को GH4706 नामक एक विशेष आयरन-निकल मिश्र धातु से बनाया जाता है, जो अत्यधिक गर्मी और दबाव को सहने के लिए इंजीनियर की गई एक सामग्री है। हालाँकि, इन डिस्कों को बनाना, विशेष रूप से दुनिया के सबसे शक्तिशाली इंजनों के लिए आवश्यक अति-विशाल संस्करणों को बनाना, इंजीनियरिंग का एक ऐसा कार्य है जो वर्तमान मशीनरी की सीमाओं को चुनौती देता है। जब निर्माता इन विशाल धातु के ब्लॉकों को एक बार में आकार देने का प्रयास करते हैं, तो एक छिपा हुआ दोष अक्सर उभर आता है। धातु समान रूप से प्रवाहित नहीं होती है; कुछ क्षेत्र इतने दबे और खींचे जाते हैं कि वे मजबूत और एकसमान हो जाते हैं, जबकि अन्य स्थान, विशेष रूप से केंद्र हब के पास, कम काम किए हुए रह जाते हैं। इन कम काम किए गए क्षेत्रों में, धातु की आंतरिक क्रिस्टल संरचना ठीक से परिष्कृत होने में विफल रहती है, जिससे मोटे और मिश्रित दानों (grains) का एक पैचवर्क पीछे रह जाता है। ये कमजोर बिंदु दरारों के इंतजार करने वाले स्थानों की तरह हैं, जो पूरे इंजन की सुरक्षा और दक्षता के लिए खतरा पैदा करते हैं।
वैज्ञानिकों के लिए चुनौती यह खोजने की है कि बिना अंतहीन, महंगे परीक्षण-और-त्रुटि (trial-and-error) प्रयोगों पर निर्भर रहे, पूरी डिस्क में धातु को समान रूप से कैसे प्रवाहित किया जाए। दशकों तक, इन सूक्ष्म संरचनात्मक दोषों को ठीक करने का मानक दृष्टिकोण प्रेस के तापमान और गति में बदलाव करना रहा है। शोधकर्ताओं ने माना कि यदि वे केवल सही तापमान या आदर्श गति पा सकें, तो धातु पूरी तरह से व्यवहार करेगी। लेकिन दो मीटर से अधिक चौड़ी डिस्क के लिए, एक पूर्ण-स्तरीय परीक्षण चलाने की लागत बहुत अधिक है, और त्रुटि की गुंजाइश शून्य है। प्रश्न यह बन गया कि क्या कोई दूसरा लीवर था जिसे खींचा जा सकता था, एक ऐसा तरीका जिससे अंतिम आकार देने से पहले ही धातु के प्रवाह को निर्देशित किया जा सके, यह सुनिश्चित करने के लिए कि डिस्क के हर हिस्से को मजबूत और एकसमान बनने के लिए आवश्यक सटीक मात्रा में कार्य मिले।
चिज़ौ यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस समस्या को एक अलग दृष्टिकोण से देखने का निर्णय लिया। केवल गर्मी या प्रेस की गति को समायोजित करने के बजाय, उन्होंने धातु के पूरी तरह से बनने से पहले उसके आकार पर ध्यान केंद्रित किया। उन्होंने विनिर्माण प्रक्रिया में एक प्रारंभिक चरण जोड़ने का प्रस्ताव दिया, एक "प्री-फोर्जिंग" (पूर्व-गढ़ना) चरण जहाँ धातु के ब्लॉक को एक विशिष्ट, कस्टम आकार दिया जाता है। उनका अनुमान था कि इस पहले चरण में उपयोग किए जाने वाले टूलिंग की ज्यामिति (geometry) को बदलकर, वे स्ट्रैन (आंतरिक तनाव और खिंचाव) को पुनर्वितरित कर सकते हैं, ताकि धातु अधिक समान रूप से प्रवाहित हो सके। इसका परीक्षण करने के लिए, उन्होंने एक पूर्ण आकार के इंजन का हिस्सा नहीं बनाया। इसके बजाय, उन्होंने एक परिष्कृत कंप्यूटर मॉडल बनाया जो धातु के गर्म होने, दबने और आकार लेने के भौतिक विज्ञान का अनुकरण (simulate) कर सकता था। यह मॉडल एक आभासी प्रयोगशाला के रूप में कार्य करता था, जिससे उन्हें वास्तविक धातु को पिघलाने और गढ़ने में लगने वाले समय के एक अंश में हजारों आभासी प्रयोग करने की अनुमति मिली।
शोधकर्ताओं ने टरबाइन डिस्क के एक छोटे संस्करण के साथ एक जटिल सिमुलेशन सेट किया, जिसका व्यास लगभग 660 मिलीमीटर था। उन्होंने कंप्यूटर को धातु के आंतरिक दानों (grains) के व्यवहार को ट्रैक करने के लिए प्रोग्राम किया, जो सामग्री को बनाने वाले छोटे क्रिस्टल हैं। उनका लक्ष्य दो चीजों को कम करना था: इन दानों का औसत आकार और डिस्क में उनके आकार का अंतर। वे चाहते थे कि प्रत्येक दाना छोटा और एकसमान हो, जैसे गेहूं का एक खेत जो सभी एक ही ऊंचाई के हों, न कि छोटे और लंबे तनों का मिश्रण। उन्होंने भट्टी के तापमान, प्रेस के चलने की गति और सबसे महत्वपूर्ण रूप से, प्री-फोर्जिंग डाई (धातु को शुरू में आकार देने वाला उपकरण) के विशिष्ट आयामों सहित कई चरों (variables) का परीक्षण किया। उन्होंने उपकरण के कोण, धातु में पेश किए गए अवतल वक्र (concave curve) की गहराई और सांचे में छोड़े गए खाली धातु की ऊंचाई को भी बदला।
अपने सिमुलेशन के माध्यम से, टीम ने पाया कि तापमान के बारे में प्रचलित धारणा सबसे महत्वपूर्ण कारक नहीं थी। हालांकि गर्मी आवश्यक है, एक निश्चित सुरक्षित सीमा के भीतर विशिष्ट तापमान का महत्व टूलिंग के आकार की तुलना में बहुत कम था। कंप्यूटर विश्लेषण ने खुलासा किया कि प्री-फोर्जिंग डाई की ज्यामिति अंतिम सूक्ष्म संरचना को निर्धारित करने वाला प्रमुख बल थी। विशेष रूप से, अवतल आकार का वक्रता और खाली छोड़ी गई धातु की ऊंचाई ने सुधार में सबसे बड़ा योगदान दिया। इन ज्यामितीय विवरणों को अनुकूलित करके, वे धातु को बिल्कुल सही दबाव के साथ हब क्षेत्र में प्रवाहित करने के लिए मजबूर कर सकते थे, जिससे उन क्षेत्रों को समाप्त किया जा सका जहाँ आमतौर पर मोटे दाने बनते हैं। स्ट्रैन रेट, या धातु के विकृत होने की गति, दूसरा सबसे महत्वपूर्ण कारक था, जबकि परीक्षण की गई 1110 से 1140 डिग्री सेल्सियस की सीमा के भीतर सटीक तापमान का दानों की एकरूपता पर आश्चर्यजनक रूप से मामूली प्रभाव पड़ा।
यह पुष्टि करने के लिए कि उनके कंप्यूटर के अनुमान केवल सैद्धांतिक नहीं थे, शोधकर्ता एक भौतिक परीक्षण की ओर बढ़े। उन्होंने GH4706 मिश्र धातु के एक वास्तविक ब्लॉक को लिया और उसे उसी प्रक्रिया के अधीन किया जिसे उन्होंने सिमुलेशन में अनुकूलित किया था। एक 800-मेगान्यूटन हाइड्रोलिक प्रेस का उपयोग करते हुए, उन्होंने नए डिज़ाइन किए गए टूल आकार के साथ प्री-फोर्जिंग चरण किया, जिसके बाद अंतिम फोर्जिंग की गई। फिर उन्होंने निर्मित डिस्क के क्रॉस-सेक्शन से छह अलग-अलग स्थानों से नमूने लिए, जिसमें महत्वपूर्ण हब क्षेत्र भी शामिल था जहाँ दोष आमतौर पर दिखाई देते हैं। जब उन्होंने एक शक्तिशाली इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी के नीचे इन नमूनों की जांच की, तो परिणाम स्पष्ट थे। धातु बदल चुकी थी। पिछले प्रयासों से परेशान करने वाले पैची, मोटे और मिश्रित दानों के बजाय, पूरी डिस्क ने एक समान, महीन-दाने वाली संरचना दिखाई। दाने लगातार छोटे थे, जिनका माप 40 से कम था, और उनके आकार में भिन्नता न्यूनतम थी। हब क्षेत्र में, जहाँ समस्या सबसे गंभीर थी, धातु में पूर्ण परिवर्तन हुआ था, जिसमें 70 प्रतिशत से अधिक दाने पूरी तरह से इक्विएक्स्ड (equiaxed) और पुनर्संरचना (recrystallized) वाले थे।
अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि इन विशाल, उच्च-प्रदर्शन वाले टरबाइन डिस्क के निर्माण की कुंजी पूर्ण तापमान की तलाश करने में नहीं, बल्कि प्री-फोर्जिंग प्रक्रिया की ज्यामिति में महारत हासिल करने में है। शोधकर्ताओं ने पाया कि टूलिंग के प्रारंभिक आकार को सख्ती से नियंत्रित करके, वे धातु को समान रूप से प्रवाहित होने के लिए निर्देशित कर सकते थे, यह सुनिश्चित करते हुए कि आंतरिक संरचना केंद्र से रिम तक एकसमान हो। यह दृष्टिकोण उद्योग के लिए एक व्यावहारिक और लागत प्रभावी मार्ग प्रदान करता है। यह सुझाव देता है कि निर्माता तापमान विंडो पर अपने नियंत्रण को ढीला कर सकते हैं, जिसे बड़े भट्टियों में पूरी तरह से बनाए रखना अक्सर कठिन होता है, और इसके बजाय अपने फोर्जिंग डाइस के डिजाइन और रखरखाव पर अपना ध्यान केंद्रित कर सकते हैं। यह रणनीति परिवर्तन, अगली पीढ़ी के अति-विशाल टरबाइन डिस्क के उत्पादन के लिए एक प्रमाणित ब्लूप्रिंट प्रदान करता है, जो यह सुनिश्चित करता है कि वे वैश्विक ऊर्जा ग्रिड को चलाने वाले भारी-भरकम गैस टर्बाइनों को चलाने के लिए पर्याप्त मजबूत हैं।
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