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Microstructure and Mechanical Properties of Al-Ce and Al-Ce-Cr Cast Alloys: Effects of Cr and Solidification Conditions

यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि Al-Ce मिश्र धातुओं में क्रोमियम मिलाने और सेंट्रीफ्यूगल सॉलिडिफिकेशन (अपकेंद्रण जमने की प्रक्रिया) का उपयोग करने से सूक्ष्म संरचना महत्वपूर्ण रूप से परिष्कृत होती है और संपीड़न शक्ति बढ़ती है, हालांकि प्राथमिक Al20CeCr2 इंटरमेटालिक कणों के निर्माण के कारण स्ट्रेन-हार्डनिंग क्षमता कम हो जाती है।

मूल लेखक: Gueber Elias Mendes Santos Júnior, Leonardo Carvalho Oliveira, Argos Soares Silva, Jaderson Rodrigo Silva Leal, André Santos Barros, Marcella Gautê Cavalcante Xavier, José Eduardo Spinelli

प्रकाशित 2026-09-23

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Gueber Elias Mendes Santos Júnior, Leonardo Carvalho Oliveira, Argos Soares Silva, Jaderson Rodrigo Silva Leal, André Santos Barros, Marcella Gautê Cavalcante Xavier, José Eduardo Spinelli

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एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ हमारे आधुनिक जीवन को चलाने वाले वाहन और मशीनें ऐसी सामग्रियों से बनी हों जो ईंधन बचाने के लिए पर्याप्त हल्की हों लेकिन इंजन की तीव्र गर्मी को सहने के लिए पर्याप्त मजबूत हों। दशकों से, इंजीनियरों ने एक आदर्श संतुलन की तलाश की है, जिसके लिए वे अक्सर एल्युमीनियम की ओर मुड़े क्योंकि यह स्वाभाविक रूप से हल्का होता है। हालाँकि, मानक एल्युमीनियम गर्म होने पर अपनी मजबूती खो देता है। इस समस्या को हल करने के लिए, वैज्ञानिकों ने एल्युमीनियम को दुर्लभ-पृथ्वी तत्वों, विशेष रूप से सीरियम (cerium) के साथ मिलाना शुरू कर दिया है, ताकि ऐसे मिश्र धातु (alloys) बनाए जा सकें जो उच्च तापमान में भी मजबूत बने रहें। ये नई सामग्रियां उन सूक्ष्म, अदृश्य संरचनाओं पर निर्भर करती हैं जो धातु के तरल से ठोस अवस्था में ठंडा होने पर बनती हैं। ये संरचनाएं कैसे विकसित होती हैं—चाहे वे चिकनी कोशिकाओं (cells) के रूप में बनें या शाखाओं वाले पेड़ों (branching trees) के रूप में—यह काफी हद तक इस बात पर निर्भर करता है कि धातु कितनी तेजी से ठंडी होती है और इसमें अन्य कौन से तत्व मिलाए गए हैं। इन सूक्ष्म पैटर्नों को समझना अगली पीढ़ी के उच्च-प्रदर्शन वाले इंजनों को डिजाइन करने की कुंजी है।

ब्राजील के फेडरल यूनिवर्सिटी ऑफ साओ कार्लोस के शोधकर्ताओं की एक टीम ने ठीक इसी बात का पता लगाने के लिए अन्वेषण किया कि ये पैटर्न कैसे बनते हैं और वे एल्युमीनियम-सीरियम मिश्र धातुओं की मजबूती को कैसे प्रभावित करते हैं। उन्होंने दो विशिष्ट मिश्रणों पर ध्यान केंद्रित किया: एक जिसमें केवल एल्युमीनियम और सीरियम था, और दूसरा जिसमें मिश्रण में थोड़ी मात्रा में क्रोमियम जोड़ा गया था। यह देखने के लिए कि शीतलन (cooling) की गति परिणाम को कैसे बदलती है, उन्होंने पिघली हुई धातु को ठोस बनाने के लिए दो अलग-अलग विधियों का उपयोग किया। पहली विधि, जिसे दिशात्मक ठोसकरण (directional solidification) कहा जाता है, ने धातु को धीरे-धीरे और निरंतर ठंडा होने दिया, ठीक वैसे ही जैसे एक नदी एक दिशा में बहती है। दूसरी विधि, जिसे सेंट्रीफ्यूगल सॉलिडिफिकेशन (centrifugal solidification) के रूप में जाना जाता है, में पिघली हुई धातु को तांबे के सांचे के भीतर घुमाया गया। इस घूमने की क्रिया ने धातु को सांचे की ठंडी दीवारों की ओर धकेला, जिससे शीतलन की दर बहुत तेज हो गई और एक अलग प्रकार की आंतरिक संरचना उत्पन्न हुई। इन दोनों दृष्टिकोणों की तुलना करके, शोधकर्ता यह देख सके कि शीतलन की गति और क्रोमियम की उपस्थिति ने धातु के सूक्ष्म परिदृश्य को कैसे बदला।

जब धातु धीरे-धीरे ठंडी हुई, तो इसने अपनी आंतरिक विशेषताओं के बीच अपेक्षाकृत चौड़े अंतराल वाली एक संरचना बनाई। लेकिन जब शोधकर्ताओं ने स्पिनिंग, उच्च-गति शीतलन विधि का उपयोग किया, तो आंतरिक संरचनाएं अविश्वसनीय रूप से महीन और सघन हो गईं। उस मिश्र धातु में जिसमें केवल एल्युमीनियम और सीरियम था, शीतलन की गति ने आकार में एक दिलचस्प बदलाव किया। कास्ट धातु के सबसे पतले हिस्सों में, जहाँ शीतलन सबसे तेज़ था, धातु ने चिकनी, कोशिका जैसी आकृतियों और शाखाओं वाले, पेड़ जैसी संरचनाओं का एक मिश्रण बनाया। जैसे-जैसे हिस्से मोटे हुए और थोड़ा धीरे ठंडा हुआ, धातु पूरी तरह से शाखाओं वाले पेड़ जैसी संरचना में स्थिर हो गई। हालाँकि, जब शोधकर्ताओं ने मिश्रण में क्रोमियम मिलाया, तो यह बदलाव गायब हो गया। क्रोमियम युक्त मिश्र धातु ने धातु के खंड कितना मोटा था या वह कितनी तेजी से ठंडी हुई, इसकी परवाह किए बिना एक सुसंगत, शाखाओं वाली पेड़ जैसी संरचना बनाए रखी। क्रोमियम ने मूल रूप से धातु को एक विशिष्ट विकास पैटर्न में लॉक कर दिया, जिससे शुद्ध एल्युमीनियम-सीरियम मिश्रण में देखी जाने वाली चिकनी कोशिका जैसी आकृतियों के निर्माण को रोका जा सका।

शोधकर्ताओं ने फिर परीक्षण किया कि ये विभिन्न आंतरिक संरचनाएं दबाव के तहत कैसा प्रदर्शन करती हैं। उन्होंने धातु के नमूनों को दबाकर देखा कि झुकने या टूटने से पहले वे कितनी शक्ति सहन कर सकते हैं। परिणामों ने दिखाया कि क्रोमियम वाला मिश्र धातु आम तौर पर अधिक मजबूत था। सबसे तेजी से ठंडे किए गए नमूनों में, क्रोमियम युक्त धातु बिना किसी विकृति के 282 मेगापास्कल का संपीड़न बल (compressive force) सहन कर सका, जबकि बिना क्रोमियम वाले मिश्र धातु के लिए यह 253 मेगापास्कल था। यह अतिरिक्त मजबूती इस विशिष्ट तरीके से आई जिससे क्रोमियम ने धातु की आंतरिक बनावट को बदल दिया। इसने सूक्ष्म, कठोर कणों के निर्माण को प्रोत्साहित किया जो बाधाओं के रूप में कार्य करते थे, जिससे धातु का आसानी से विकृत होना रुक जाता था। जबकि शुद्ध एल्युमीनियम-सीरियम मिश्र धातु दबने पर थोड़ा खिंच और सख्त हो सकता था, क्रोमियम वाला संस्करण शुरुआत से ही अधिक कठोर था, जो विकृति के शुरुआती दबाव के प्रति अधिक प्रतिरोध प्रदान करता था।

दिलचस्प बात यह है कि अध्ययन ने खुलासा किया कि आंतरिक संरचनाओं को छोटा बनाने से वे हर तरह से कठोर नहीं हो जातीं। हालांकि स्पिनिंग विधि ने धीमी शीतलन विधि की तुलना में बहुत महीन संरचनाएं बनाईं, लेकिन आकार और मजबूती के बीच का संबंध एक सरल सीधी रेखा नहीं था। धातु की कठोरता, जिसे उसकी सतह पर एक छोटा हीरा दबाकर मापा गया था, हमेशा नमूने को दबाने से मापी गई मजबूती से मेल नहीं खाती थी। कुछ मामलों में, मोटे आंतरिक संरचना वाले मिश्र धातु को महीन संरचना वाले मिश्र धातु की तुलना में अधिक कठिन पाया गया। ऐसा इसलिए हुआ क्योंकि क्रोमियम द्वारा बनाए गए सूक्ष्म, कठोर कण इतने प्रभावी थे कि उन्होंने धातु के व्यवहार पर प्रभुत्व जमा लिया, भले ही शाखाओं के बीच का समग्र अंतराल सबसे कम न हो। शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि इन नए मिश्र धातुओं की मजबूती कारकों के एक जटिल संयोजन पर निर्भर करती है: धातु कितनी तेजी से ठंडी होती है, आंतरिक संरचनाएं किस विशिष्ट आकार लेती हैं, और धातु के भीतर विभिन्न कण एक दूसरे के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। इन विवरणों को समझकर, इंजीनियर भविष्य के परिवहन और औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए इन हल्के वजन वाली सामग्रियों को बेहतर ढंग से तैयार कर सकते हैं।

तकनीकी सारांश: Al-Ce और Al-Ce-Cr कास्ट मिश्र धातुओं की सूक्ष्म संरचना और यांत्रिक गुण

समस्या विवरण
उच्च तापमान पर यांत्रिक प्रदर्शन बनाए रखने में सक्षम हल्के एल्युमीनियम मिश्र धातु परिवहन और संरचनात्मक अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण हैं। हालांकि Al-Ce मिश्र धातुएं अपनी कास्टेबिलिटी (ढलाई क्षमता) और तापीय रूप से स्थिर इंटरमेटैलिक्स के कारण आशाजनक हैं, लेकिन तीव्र शीतलन (rapid solidification) की स्थितियों में चरण निर्माण (phase formation) और यांत्रिक व्यवहार पर क्रोमियम (Cr) के जुड़ाव के विशिष्ट प्रभाव को अभी भी अपर्याप्त रूप से समझा गया है। पिछले शोधों ने स्थापित किया है कि Cr प्राथमिक इंटरमेटैलिक यौगिकों के निर्माण के माध्यम से शीतलन सूक्ष्म संरचनाओं को संशोधित कर सकता है, लेकिन तीव्र शीतलन के तहत Al-Ce(-Cr) मिश्र धातुओं के संपीड़न व्यवहार (compressive behavior) को अनुकूलित करने के लिए आवश्यक प्रसंस्करण-सूक्ष्म संरचना-गुण संबंध अभी तक पूरी तरह से स्थापित नहीं हुए हैं।

कार्यप्रणाली
इस अध्ययन में दो मिश्र धातु संरचनाओं का अन्वेषण किया गया: Al–13 wt.%Ce और Al–10 wt.%Ce–1 wt.%Cr। प्रयोगात्मक दृष्टिकोण में इंडक्शन मेल्टिंग के माध्यम से इन मिश्र धातुओं का उत्पादन किया गया और शीतलन दर के प्रभावों की तुलना करने के लिए दो अलग-अलग शीतलन मार्गों के माध्यम से उन्हें संसाधित किया गया:

दिशात्मक शीतलन (Directional Solidification - DS): इसे वाटर-कूल्ड बेस वाले स्टेनलेस स्टील मोल्ड में किया गया, जिससे 0.76, 3.2, और 15.9 °C/s की शीतलन दर प्राप्त हुई।
अपकेंद्री शीतलन (Centrifugal Solidification - CS): इसे 5, 7, 9, और 11 मिमी व्यास वाले स्टेपड कॉपर मोल्ड में किया गया ताकि काफी उच्च शीतलन दर और तीव्र शीतलन शासन (rapid solidification regimes) प्राप्त किया जा सके।

नमूनों का लक्षण वर्णन चरण पहचान के लिए एक्स-रे विवर्तन (XRD) और रूपात्मक विश्लेषण (morphological analysis) के लिए ऊर्जा प्रकीर्णन स्पेक्ट्रोस्कोपी (EDS) के साथ स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) का उपयोग करके किया गया। मात्रात्मक सूक्ष्म संरचनात्मक मापदंडों, जिनमें द्वितीयक डेंड्राइटिक आर्म स्पेसिंग ( $\lambda_2$ ) और यूटेक्टिक स्पेसिंग ( $\lambda_E$ ) शामिल हैं, को मापा गया। विकर्स माइक्रोहार्डनेस परीक्षण और यूनिएक्सियल संपीड़न परीक्षण (ASTM E9-19 के अनुसार) के माध्यम से यांत्रिक गुणों का मूल्यांकन किया गया ताकि यील्ड स्ट्रेंथ, अल्टीमेट कंप्रेसिव स्ट्रेंथ, और प्लास्टिक विरूपण मापदंडों (स्ट्र्रेन-हार्डनिंग एक्सपोनेंट $n$ और स्ट्रेंथ कोएफिशिएंट $K$ ) को हॉलोमन विश्लेषण (Hollomon analysis) के माध्यम से निर्धारित किया जा सके।

मुख्य परिणाम

सूक्ष्म संरचनात्मक विकास: दिशात्मक शीतलन की तुलना में अपकेंद्री शीतलन ने स्पष्ट रूप से परिष्कृत सूक्ष्म संरचनाएं उत्पन्न कीं, जिसमें औसत डेंड्राइटिक स्पेसिंग ( $\lambda$ $λ$ ) 4.0 से 5.4 μm के बीच रही।
- Al–13Ce: नमूने के व्यास पर निर्भर करते हुए सेलुलर-टू-डेंड्राइटिक ट्रांजिशन प्रदर्शित किया। छोटे व्यास (5–7 मिमी) उच्च इंटरफेस वेग और उच्च यूटेक्टिक अंशों के कारण मिश्रित सेलुलर/डेंड्राइटिक रूपात्मकता (morphologies) दिखाते हैं, जबकि बड़े व्यास (9–11 मिमी) मुख्य रूप से डेंड्राइटिक संरचनाएं प्रदर्शित करते हैं।
- Al–10Ce–1Cr: सभी व्यासों में डेंड्राइटिक रूपात्मकता को बनाए रखा। बाइनरी मिश्र धातु में देखी गई सेलुलर रूपात्मकता को Cr के जुड़ाव ने दबा दिया, जो संभवतः संशोधित विलेय पुनर्वितरण (solute redistribution) और इंटरफेस अस्थिरता के कारण है।
चरण संरचना (Phase Constitution): दोनों मिश्र धातुओं ने हाइपरयूटेक्टिक संरचनाएं बनाईं। बाइनरी मिश्र धातु में प्राथमिक $Al_{11}Ce_3$ और एक $\alpha$ -Al + $Al_{11}Ce_3$ यूटेक्टिक मौजूद था। टर्नरी (ternary) मिश्र धातु ने $\alpha$ -Al + $Al_{11}Ce_3$ यूटेक्टिक के साथ प्राथमिक $Al_{20}CeCr_2$ कणों का निर्माण किया। XRD ने पुष्टि की कि हालांकि चरण संरचना सुसंगत रही, लेकिन CS प्रक्रिया में नमूने के व्यास के साथ क्रिस्टलोग्राफिक ओरिएंटेशन भिन्न हुआ।
यांत्रिक प्रदर्शन:
- संपीड़न शक्ति (Compressive Strength): Al–10Ce–1Cr मिश्र धातु ने सामान्य रूप से बाइनरी Al–13Ce की तुलना में बेहतर संपीड़न और यील्ड स्ट्रेंथ प्रदर्शित की। 11-mm CS स्थिति में, टर्नरी मिश्र धातु ने 282 MPa की संपीड़न शक्ति और 143 MPa की यील्ड स्ट्रेंथ प्राप्त की, जबकि बाइनरी मिश्र धातु के लिए यह 253 MPa और 119 MPa थी।
- कठोरता (Hardness): विकर्स हार्डनेस संपीड़न शक्ति के रुझान का कड़ाई से पालन नहीं करती है। DS के तहत, बाइनरी मिश्र धातु ने कम संपीड़न शक्ति के बावजूद उच्च कठोरता दिखाई, जिसका कारण टर्नरी मिश्र धातु के मोटे यूटेक्टिक की तुलना में इसके महीन यूटेक्टिक घटक हैं।
- प्लास्टिक प्रतिक्रिया: हॉलोमन विश्लेषण से पता चला कि Al–10Ce–1Cr मिश्र धातु में उच्च स्ट्रेंथ कोएफिशिएंट ( $K \approx 231$ MPa) लेकिन कम स्ट्र्रेन-हार्डनिंग एक्सपोनेंट ( $n \approx 0.14$ ) था, जबकि बाइनरी मिश्र धातु ( $K \approx 205$ MPa; $n \approx 0.18$ ) के मामले में ऐसा था। यह इंगित करता है कि Cr युक्त मिश्र धातु में प्लास्टिक प्रवाह के प्रति उच्च प्रतिरोध होता है लेकिन स्ट्र्रेन हार्डनिंग की क्षमता कम होती है।

महत्व और दावे
यह शोध निष्कर्ष निकालता है कि इन मिश्र धातुओं की संपीड़न प्रतिक्रिया केवल सूक्ष्म संरचनात्मक परिष्करण (डेंड्राइटिक स्पेसिंग) द्वारा ही नहीं, बल्कि महत्वपूर्ण रूप से चरण संरचना, इंटरमेटैलिक वितरण और कण/मैट्रिक्स अंतःक्रियाओं द्वारा नियंत्रित होती है। टर्नरी मिश्र धातु में प्राथमिक $Al_{20}CeCr_2$ कणों की उपस्थिति विस्थापन गति (dislocation motion) के लिए प्रभावी बाधाओं के रूप में कार्य करती है, जिससे यील्ड स्ट्रेंथ और प्लास्टिक प्रवाह के प्रति प्रतिरोध बढ़ जाता है, विशेष रूप से संपीड़न के तहत जहाँ मोटे भंगुर चरणों के हानिकारक प्रभाव तनाव (tension) की तुलना में कम स्पष्ट होते हैं।

यह अध्ययन इस बात पर प्रकाश डालता है कि जबकि अपकेंद्री शीतलन सूक्ष्म संरचनाओं को परिष्कृत करने में प्रभावी है, यांत्रिक परिणाम मिश्र धातु की केमिस्ट्री (विशेष रूप से Cr जुड़ाव) और शीतलन मार्ग के बीच एक जटिल परस्पर क्रिया है। ये निष्कर्ष Al-Ce आधारित मिश्र धातुओं को उच्च-तापमान अनुप्रयोगों के लिए अनुकूलित करने हेतु आगे की अंतर्दृष्टि प्रदान करते हैं, यह प्रदर्शित करते हुए कि कैसे Cr जुड़ाव और तीव्र शीतलन का उपयोग संपीड़न यांत्रिक गुणों को अनुकूलित करने के लिए किया जा सकता है।

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