Inhibiting bending springback of 2A97 Al-Li alloy using novel current-assisted in-situ heating technology

आधुनिक विनिर्माण की दुनिया में, विशेष रूप से विमान और उच्च गति वाले परिवहन के लिए, इंजीनियर लगातार एक ऐसी सामग्री की तलाश में रहते हैं जो अविश्वसनीय रूप से मजबूत और उल्लेखनीय रूप से हल्की हो। एल्युमीनियम-लिथियम मिश्र धातुएं इस भूमिका के लिए एक अग्रणी उम्मीदवार के रूप में उभरी हैं, जो ऐसी संरचनाएं बनाने का एक तरीका प्रदान करती हैं जो उड़ान की कठोरता को झेलने के लिए पर्याप्त मजबूत हों और उस भारी वजन को कम कर सकें जो ईंधन की लागत को बहुत अधिक बढ़ा देता है। हालांकि, ये उन्नत सामग्रियां एक जिद्दी विचित्रता के साथ आती हैं: जब आप उन्हें आकार देने के लिए मोड़ने की कोशिश करते हैं, तो वे पलटवार करती हैं। बिल्कुल वैसे ही जैसे एक सख्त रबर बैंड खिंचने के बाद अपने मूल रूप की ओर वापस आ जाता है, इन धातु की चादरों में मोड़ने के बाद वापस उछलने (स्प्रिंगबैक) की एक प्राकृतिक प्रवृत्ति होती है। यह घटना, जिसे 'स्प्रिंगबैक' कहा जाता है, एक ऐसे अंतर को पैदा करती है जो उस आकार और उस आकार के बीच होता है जिसे मशीन बनाना चाहती है और उस आकार के बीच जिसे धातु वास्तव में बनाए रखती है। उन उद्योगों के लिए जो मिलीमीटर-सटीक परिशुद्धता की मांग करते हैं, यह इलास्टिक रिबाउंड एक महत्वपूर्ण बाधा है, जिसके लिए अक्सर महंगे परीक्षण-और-त्रुटि सुधारों या ऊर्जा-गहन हीटिंग प्रक्रियाओं की आवश्यकता होती है जो कभी-कभी सामग्री की मजबूती को नुकसान पहुंचा सकती हैं।

इस समस्या को हल करने के लिए, शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नया दृष्टिकोण विकसित किया है जो मोल्ड के भीतर सीधे गर्मी और बिजली को जोड़ता है। पूरे हिस्से को बनाने के बाद उसे एक बड़े ओवन में पकाने के बजाय, उन्होंने एक विशेष उपकरण डिजाइन किया है जो धातु को मोड़े जाने के दौरान और उसके तुरंत बाद एक उच्च-घनत्व वाली विद्युत धारा प्रवाहित करता है। यह तकनीक, जिसे वे 'करंट-असिस्टेड इन-सिटू हीटिंग' कहते हैं, धातु के प्रतिरोध और एक विशेष रूप से डिजाइन किए गए ग्रेफाइट संपर्क बिंदु का उपयोग करके ठीक वहीं तीव्र, स्थानीयकृत गर्मी उत्पन्न करती है जहाँ इसकी आवश्यकता होती है। इसका लक्ष्य धातु को बस इतना नरम करना है कि इसके आंतरिक तनाव शिथिल हो सकें और इसका आकार स्थायी रूप से स्थिर हो सके, प्रभावी रूप से धातु को मुड़े रहने के लिए 'बहलाना' ताकि वह वापस न उछले। 2A97 एल्युमीनियम-लिथियम मिश्र धातु पर इस पद्धति का परीक्षण करके, शोधकर्ताओं ने पाया कि वे सामान्य रिबाउंड के बिना सटीक मोड़ प्राप्त कर सकते हैं, जो उच्च गुणवत्ता वाले एयरोस्पेस घटकों के निर्माण के लिए एक तेज़ और अधिक कुशल मार्ग प्रदान करता है।

यह अध्ययन एल्युमीनियम-लिथियम मिश्र धातु के एक विशिष्ट प्रकार, 2A97 पर केंद्रित था, जो अपनी मजबूती के लिए सराहा जाता है लेकिन अपने निर्माण की कठिनाई के लिए कुख्यात है। शोधकर्ताओं ने इन धातु की चादरों को तैयार करके शुरुआत की, उन्हें 510 डिग्री सेल्सियस तक गर्म किया और फिर एक समान आंतरिक संरचना सुनिश्चित करने के लिए उन्हें तेजी से पानी में ठंडा किया। फिर उन्होंने इन चादरों को एक मानक मोल्ड का उपयोग करके V-आकार में मोड़ने का प्रयास किया। जैसा कि अपेक्षित था, धातु ने आकार को पूरी तरह से नहीं बनाए रखा; यह थोड़ा खुल गया, जिसके परिणामस्वरूप वांछित 31 डिग्री के बजाय 32.5 डिग्री का मोड़ आया, और मोड़ का वक्र (कर्वेचर) थोड़ा चौड़ा हो गया। इस विसंगति ने स्प्रिंगबैक की उपस्थिति की पुष्टि की, जो धातु की क्रिस्टल संरचना के भीतर संग्रहीत ऊर्जा और झुकने की प्रक्रिया के बाद छोड़े गए अवशिष्ट तनावों द्वारा संचालित थी।

इसे ठीक करने के लिए, टीम ने एक अभिनव मोल्ड डिजाइन पेश किया जिसमें "मेटल मैट्रिक्स प्लस राउंडेड ग्रेफाइट" सेटअप था। मोल्ड का ऊपरी हिस्सा, जो धातु पर दबाव डालता है, एक कंपोजिट सामग्री से बना था जिसमें एक ग्रेफाइट टिप थी, जबकि निचला आधार दो डिजाइनों के बीच भिन्न था: एक जो पूरी तरह से ग्रेफाइट से बना था और दूसरा जो स्टेनलेस स्टील से बना था। जब शोधकर्ताओं ने मोल्ड के माध्यम से विद्युत धारा का एक पल्स लगाया, तो ग्रेफाइट के घटकों ने, जो धातु की तुलना में बिजली के प्रवाह का अधिक प्रतिरोध करते हैं, मोड़ पर केंद्रित गर्मी उत्पन्न की। इस गर्मी की वास्तविक समय में निगरानी की गई, जो लक्षित क्षेत्र में 500 डिग्री सेल्सियस तक पहुंच गई। विद्युत धारा ने केवल धातु को गर्म ही नहीं किया; इसने क्रिस्टल लैटिस के भीतर घूमते परमाणुओं और विस्थापन (डिसलोकेशन) के साथ भी परस्पर क्रिया की, जिससे आंतरिक तनावों का शिथिल होना तेज हो गया।

परिणाम आश्चर्यजनक थे। इस करंट-असिस्टेड हीट ट्रीटमेंट को लागू करने के बाद, मुड़ी हुई धातु की चादरों ने उल्लेखनीय सटीकता के साथ अपना आकार बनाए रखा। मोड़ का कोण खुद को ठीक करके सटीक 31 डिग्री पर ले आया, और वक्र का रेडियस मोल्ड के आयामों से एक मिलीमीटर के अंश के भीतर मेल खा गया। शोधकर्ताओं ने दोनों मोल्ड डिजाइनों की तुलना की और पाया कि ग्रेफाइट वाले निचले मोल्ड वाला डिजाइन बेहतर था। इस पूर्ण ग्रेफाइट सेटअप ने गर्मी को मोड़ पर केंद्रित रहने दिया, जिससे धातु में 470 डिग्री का उच्च तापमान प्राप्त हुआ, जबकि इसके लिए कम विद्युत धारा की आवश्यकता पड़ी। इसके विपरीत, स्टेनलेस स्टील वाले निचले मोल्ड ने गर्मी को बहुत तेज़ी से बाहर निकाल दिया, जिससे यह प्रक्रिया कम कुशल हो गई।

धातु की आंतरिक संरचना को इस उपचार के बाद करीब से देखते हुए, शोधकर्ताओं को स्पष्ट प्रमाण मिला कि यह विधि क्यों काम करती है। एक शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी के नीचे, धातु के दाने (ग्रेन्स), जो झुकने के दौरान खिंचे और विकृत हुए थे, ने रिकवरी के संकेत दिखाए। क्रिस्टल ग्रेन्स का आंतरिक मिसअलाइनमेंट, जो संग्रहीत तनाव के माप के रूप में कार्य करता है, काफी कम हो गया। मुड़े हुए क्षेत्रों में, औसत मिसओरिएंटेशन 1.5 डिग्री से गिरकर लगभग 0.5 डिग्री हो गया। इस कमी ने संकेत दिया कि गर्मी और बिजली के संयोजन ने धातु के आंतरिक दोषों को पुनर्गठित और ठीक होने में मदद की, जिससे उस तनाव को मुक्त किया गया जो धातु को उसके मूल सपाट रूप में वापस धकेलने की कोशिश कर रहा था।

अध्ययन ने इस प्रक्रिया के बाद धातु के भीतर शेष रहने वाले बलों को भी मापा। उपचार से पहले, मुड़े हुए कोने की बाहरी सतह पर 68.1 मेगापास्कल का संपीड़न तनाव (कंप्रेसिव स्ट्रेस) था, जो इस बात का संकेत था कि धातु अभी भी अपने आकार में वापस आने के लिए संघर्ष कर रही है। करंट-असिस्ड हीटिंग के बाद, यह तनाव न केवल समाप्त हो गया बल्कि वास्तव में 13.9 मेगापास्कल के हल्के तन्यता तनाव (टेंसाइल स्ट्रेस) में बदल गया। इस बदलाव ने पुष्टि की कि स्प्रिंगबैक को चलाने वाली इलास्टिक ऊर्जा को स्थायी प्लास्टिक विरूपण (प्लास्टिक डीफॉर्मेशन) में बदल दिया गया था। धातु ने प्रभावी रूप से अपने मूल आकार को "भूल" दिया था और नए मुड़े हुए रूप को स्वीकार कर लिया था।

यह प्रदर्शित करके कि बिजली और गर्मी का एक स्थानीयकृत विस्फोट उच्च-शक्ति वाले एल्युमीनियम-लिथियम मिश्र धातुओं के व्यवहार को स्थायी रूप से बदल सकता है, यह शोध एक लंबे समय से चली आ रही विनिर्माण चुनौती का व्यावहारिक समाधान प्रदान करता है। यह विधि बड़े ओवन में पूरे हिस्सों को गर्म करने की अक्षमताओं से बचती है और अनुमान के आधार पर जटिल मोल्ड समायोजन की आवश्यकता को समाप्त करती है। इसके बजाय, यह सुनिश्चित करने का एक सीधा, नियंत्रणीय तरीका प्रदान करता है कि घटक का अंतिम आकार बिल्कुल वैसा ही हो जैसा डिजाइन किया गया था, जो एयरोस्पेस उद्योग में हल्के वजन वाली संरचनाओं के अधिक सटीक और कुशल उत्पादन का मार्ग प्रशस्त करता है।