Sc/Zr and Zn/Zr modification of Al–7Mg alloys fabricated by laser- directed energy deposition: Grain refinement, tensile properties, and corrosion behavior

हवाई जहाजों, कारों और जहाजों के धातु के पुर्जों को अक्सर अविश्वसनीय रूप से मजबूत और हल्का होना पड़ता है, फिर भी उन्हें जंग और खारे पानी के धीमे, विनाशकारी प्रहार का सामना करने में सक्षम होना चाहिए। दशकों से, इंजीनियर इन कार्यों के लिए एल्युमीनियम पर भरोसा करते आए हैं क्योंकि यह स्वाभाविक रूप से हल्का और संक्षारण (corrosion) के प्रति प्रतिरोधी है। हालांकि, ऐसे एल्युमीनियम पुर्जे बनाना जो उच्च-तनाव वाले अनुप्रयोगों के लिए पर्याप्त मजबूत भी हों, एक निरंतर चुनौती रही है, विशेष रूप से जब आधुनिक विनिर्माण तकनीकों का उपयोग किया जाता है जो वस्तुओं को परत दर परत बनाते हैं। ऐसी एक तकनीक, जिसे लेजर-निर्देशित ऊर्जा निक्षेपण (laser-directed energy deposition) के रूप में जाना जाता है, एक उच्च-सटीक वेल्डिंग टॉर्च की तरह काम करती है जो धातु के पाउडर को पिघलाती है और उसे एक ठोस आकार में जोड़ देती है। जबकि यह विधि उन जटिल, हल्के ढांचों के निर्माण की अनुमति देती है जिन्हें पारंपरिक कारखाने नहीं बना सकते, यह अक्सर धातु को एक खुरदरे, असमान आंतरिक संरचना के साथ छोड़ देती है जो इसे कमजोर और दरारें पड़ने के प्रति संवेदनशील बनाती है। इसे ठीक करने के लिए, वैज्ञानिक लंबे समय से एल्युमीनियम के मिश्रण में विशिष्ट तत्वों की सूक्ष्म मात्रा मिलाने की ओर देख रहे हैं ताकि इसकी आंतरिक ग्रेन (grain) संरचना को परिष्कृत किया जा सके, ठीक वैसे ही जैसे एक बेकर किसी विशेष सामग्री को जोड़ने के लिए देख सकता है ताकि ब्रेड समान रूप से फूल सके, लेकिन महंगे या दुर्लभ सामग्रियों का उपयोग किए बिना ऐसा करने का तरीका खोजना इस क्षेत्र का 'होली ग्रेल' (अत्यधिक वांछित लक्ष्य) रहा है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने सात प्रतिशत मैग्नीशियम युक्त एक सामान्य एल्युमीनियम मिश्र धातु (alloy) के परीक्षण के माध्यम से इस समस्या को हल करने के लिए दो अलग-अलग रणनीतियों का परीक्षण करने का निर्णय लिया। उनका लक्ष्य यह देखना था कि क्या वे एक ऐसा पदार्थ बना सकते हैं जो न केवल मजबूत और दरार-मुक्त हो, बल्कि संक्षारण के प्रति प्रतिरोधी भी हो, और यह सब लागत को कम रखते हुए किया जा सके। उन्होंने धातु पाउडर को पिघलाने और जोड़ने के लिए एक लेजर का उपयोग करके शुरुआत की, जिसमें उन्होंने लेजर की शक्ति और उसकी गति को सावधानीपूर्वक समायोजित किया ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि धातु बिना छेद या दरारें बनाए सुचारू रूप से पिघल जाए। एक बार जब उन्होंने आधार एल्युमीनियम मिश्र धातु के लिए प्रिंटिंग प्रक्रिया को सिद्ध कर लिया, तो उन्होंने दो अलग-अलग प्रकार के योजकों (additives) को पेश किया। पहले सेट में स्कैंडियम और ज़िरकोनियम की छोटी मात्रा शामिल थी, जो बड़े धातु ग्रेन्स को छोटे, समान ग्रेन्स में तोड़ने के लिए जाने जाने वाले तत्व हैं, हालांकि स्कैंडियम विशेष रूप से महंगा और प्राप्त करने में कठिन है। दूसरे सेट ने महंगे स्कैंडियम को एक बहुत ही सस्ते और सामान्य धातु, जिंक के साथ बदल दिया, जिसे ज़िरकोनियम के साथ जोड़ा गया, ताकि यह देखा जा सके कि क्या यह समान परिणाम प्राप्त कर सकता है।

उनके प्रयोगों के परिणामों ने यह स्पष्ट तस्वीर पेश की कि इन योजकों ने धातु को कैसे बदला। आधार एल्युमीनियम मिश्र धातु, बिना किसी विशेष योजकों के, बड़े ग्रेन्स बनाता था जिनका औसत आकार एक सौ माइक्रोमीटर से अधिक था, जो लगभग एक मानव बाल की चौड़ाई के बराबर है। जब शोधकर्ताओं ने स्कैंडium और ज़िरकोनियम मिलाया, तो आंतरिक संरचना नाटकीय रूप रूप से बदल गई। ग्रेन्स अविश्वसनीय रूप से महीन हो गए, जिनका औसत आकार दस माइक्रोमीटर से भी कम हो गया। इस परिष्करण ने धातु को काफी मजबूत और एकसमान बना दिया। स्कैंडियम की उच्च मात्रा वाले मिश्र धातु ने सबसे अधिक मजबूती प्रदर्शित की, जो टूटने से पहले चार सौ मेगापास्कल से अधिक के खिंचाव बल को सहने में सक्षम था, जबकि अपनी लचीलापन भी बनाए रखा ताकि वह बिना टूटे खिंच सके। दिलचस्प बात यह है कि जिंक-संशोधित मिश्र धातुओं ने भी आधार धातु की तुलना में काफी सुधार दिखाया, जिसमें उनके ग्रेन्स सिकुड़कर लगभग पंद्रह से सोलह माइक्रोमीटर हो गए। स्कैंडियम संस्करणों की तुलना में उतना महीन नहीं होने के बावजूद, परिष्करण का यह स्तर अभी भी प्रभावशाली था और इसके परिणामस्वरूप एक ऐसा पदार्थ प्राप्त हुआ जो अधिक महंगे विकल्प के लगभग उतना ही मजबूत था।

मजबूती के अलावा, शोधकर्ता इस बात को लेकर भी उत्सुक थे कि उनके नए मिश्र धातु समुद्री या ऑटोमोटिव वातावरण में संक्षारण के विरुद्ध कैसा प्रदर्शन करेंगे, जो समुद्री या ऑटोमोटिव वातावरण में उपयोग किए जाने वाले किसी भी धातु के लिए एक महत्वपूर्ण कारक है। उन्होंने समुद्री परिस्थितियों का अनुकरण करने के लिए कुछ दिनों तक नमूनों को खारे पानी की एक निरंतर फुहार के संपर्क में रखा। कम स्कैंडियम वाले मिश्र धातु ने इस परीक्षण में सर्वश्रेष्ठ प्रदर्शन किया, जिसमें वजन का सबसे कम नुकसान हुआ और जंग लगने की दर सबसे धीमी रही। जिंक-संशोधित मिश्र धातु, मजबूत होने के बावजूद, संक्षारण की थोड़ी उच्च दर दिखाते हैं, जिससे पता चलता है कि जिंक धातु के भीतर ऐसे सूक्ष्म क्षेत्र बना सकता है जहाँ जंग आसानी से शुरू हो सकती है। अध्ययन में यह भी नोट किया गया कि लेजर प्रिंटिंग प्रक्रिया के दौरान, तीव्र गर्मी के कारण कुछ मैग्नीशियम और जिंक वाष्पित हो गए, लेकिन मिश्र धातुओं में इन तत्वों को अपना कार्य करने के लिए पर्याप्त मात्रा में बनाए रखा गया। हालांकि, स्कैंडियम और ज़िरकोनियम प्रक्रिया के दौरान स्थिर रहे।

निष्कर्ष उद्योग के लिए एक व्यावहारिक मार्ग सुझाते हैं। जबकि स्कैंडियम-संशोधित मिश्र धातु सर्वोत्तम समग्र संतुलन (मजबूती और संक्षारण प्रतिरोध) प्रदान करता है, जिंक-संशोधित संस्करण एक सम्मोहक, कम लागत वाला विकल्प प्रदान करता है जो उच्च प्रदर्शन भी देता है। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि प्रिंटिंग प्रक्रिया को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके और तत्वों के सही मिश्रण को चुनकर, ऐसे एल्युमीनियम पुर्जे बनाना संभव है जो दरार-मुक्त हों, जिनमें बहुत महीन आंतरिक संरचना हो और जिनमें मांग वाले अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक यांत्रिक शक्ति हो। यह कार्य इंगित करता है कि इंजीनियरों को उच्च-गुणवत्ता वाले परिणाम प्राप्त करने के लिए अनिवार्य रूप से सबसे महंगी सामग्रियों पर निर्भर रहने की आवश्यकता नहीं है; इसके बजाय, वे भविष्य के हल्के विनिर्माण के लिए एल्युमीनियम को अनुकूलित करने हेतु सामान्य और दुर्लभ तत्वों के रणनीतिक संयोजन का उपयोग कर सकते हैं।