Microstructural and Mechanical Properties of Additive Friction Stir Deposited Aluminum 7050 Alloy
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि जबकि AA7050 का एडिटिव फ्रिक्शन स्टिर डिपोजिशन उच्च-शक्ति वाली सामग्री का उत्पादन करता है, इसकी शून्य के करीब डक्टिलिटी (लचीलापन) इंटरलेयर दोषों के कारण होती है, जिन्हें हॉट आइसोस्टैटिक प्रेसिंग के माध्यम से समाप्त करने पर डक्टिलिटी तो बहाल हो जाती है लेकिन अवक्षेप के मोटा होने (प्रिसिपिटेट कोर्सनिंग) के कारण शक्ति में महत्वपूर्ण कमी आती है, जो दोष निवारण और सूक्ष्म संरचनात्मक स्थिरता के बीच एक महत्वपूर्ण समझौते को रेखांकित करता है।
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उच्च-शक्ति वाले एल्युमीनियम मिश्र धातु आधुनिक विमानन की रीढ़ हैं, जिन्हें भारी भार उठाने की क्षमता और विमान को हल्का रखने की उनकी योग्यता के लिए चुना जाता है। इनमें से, 7000 श्रृंखला के रूप में जानी जाने वाली एक विशिष्ट श्रेणी, विशेष रूप से 7050 मिश्र धातु, अपनी असाधारण मजबूती और दरार प्रतिरोध के लिए बेशकीमती मानी जाती है। पारंपरिक रूप से, इस धातु से पुर्जे बनाने में इसे पिघलाकर ढालना (कास्टिंग) शामिल होता है, या इसे फोर्जिंग और रोलिंग के माध्यम से ठोस अवस्था में आकार दिया जाता है। हालाँकि, इन विधियों को जटिल आकृतियों के साथ संघर्ष करना पड़ता है और ये दरारें या सामग्रियों के असमान मिश्रण जैसी कमजोरियाँ भी पैदा कर सकती हैं। हाल के वर्षों में, इंजीनियरों ने इन पुर्जों को परत दर परत बनाने के लिए एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग, जिसे अक्सर 3D प्रिंटिंग कहा जाता है, की ओर रुख किया है। जबकि कुछ प्रिंटिंग विधियाँ धातु को पिघलाती हैं, 'एडिटिव फ्रिक्शन स्टिर डिपोजिशन' नामक एक नया दृष्टिकोण धातु को ठोस रखता है। पिघलाने के बजाय, यह एक घूमते हुए उपकरण का उपयोग करके सामग्री को आपस में रगड़ता है, जिससे इतनी गर्मी और दबाव उत्पन्न होता है कि धातु को कभी तरल बनाए बिना ही परतें आपस में जुड़ जाती हैं। यह सॉलिड-स्टेट प्रक्रिया उन दरारों से बचती है जो अक्सर पिघली हुई धातु में देखी जाती हैं, लेकिन वैज्ञानिक इस बात को लेकर अनिश्चित थे कि यह इन विशिष्ट उच्च-प्रदर्शन वाले मिश्र धातुओं की आंतरिक संरचना और मजबूती को कैसे प्रभावित करता है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने यह समझने के लिए काम शुरू किया कि जब वे इन विशिष्ट उच्च-प्रदर्शन वाले मिश्र धातुओं पर इस सॉलिड-स्टेट प्रिंटिंग विधि का उपयोग करते हैं, तो वास्तव में क्या होता है। उन्होंने धातु का एक ब्लॉक बनाया, जिसमें परत दर परत जमाव करके एक ठोस संरचना तैयार की गई, जो अन्य प्रिंटिंग विधियों में पाए जाने वाले सामान्य अंतराल (गैप्स) से लगभग मुक्त थी। जब उन्होंने इस नए प्रिंटेड ब्लॉक की मजबूती का परीक्षण किया, तो उन्हें परिणामों का एक आश्चर्यजनक मिश्रण मिला। सामग्री अविश्वसनीय रूप से मजबूत थी, जो सबसे अच्छे पारंपरिक फोर्ज्ड (गढ़े हुए) धातु के लगभग बराबर भार सह सकती थी। हालाँकि, यह खतरनाक रूप से भंगुर (ब्रिटल) भी थी। यदि आप इसे खींचने की कोशिश करते, तो यह मुड़ने या चेतावनी दिए बिना तुरंत टूट जाती, जबकि पारंपरिक धातु टूटने से पहले काफी खिंच जाती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि धातु स्वयं ठीक थी, लेकिन जिस तरह से परतें आपस में जुड़ी थीं, वह दोषपूर्ण था। परतों के बीच सूक्ष्म, अदृश्य अंतराल और छिद्र बन गए थे, जो छोटी दरारों की तरह काम करते थे और जैसे ही धातु को खींचा जाता, पूरे हिस्से को विफल कर देते थे।
इसे ठीक करने के लिए, शोधकर्ताओं ने प्रिंटेड ब्लॉक के एक हिस्से को 'हॉट आइसोस्टैटिक प्रेसिंग' नामक प्रक्रिया के अधीन किया। कल्पना कीजिए कि धातु को गैस से भरे एक विशाल, सीलबंद चैंबर में रखा जाता है और सभी दिशाओं से अत्यधिक दबाव के साथ गर्म किया जाता है। इस उपचार ने धातु को उन सूक्ष्म अंतरालों में बहने के लिए मजबूर किया, जिससे वे अंतराल बंद हो गए और सामग्री पूरी तरह से ठोस बन गई। परिणाम एक नाटकीय बदलाव था। धातु बहुत अधिक लचीली हो गई, टूटने से पहले पारंपरिक फोर्ज्ड संस्करण की तरह ही खिंच गई। हालाँकि, इस सुधार की एक कीमत भी थी। तीव्र गर्मी और दबाव ने, जिसने अंतरालों को सील किया था, उन सूक्ष्म आंतरिक क्रिस्टल को भी बदल दिया जो धातु को मजबूती प्रदान करते हैं। मजबूती देने वाले तत्व बड़े और कम प्रभावी हो गए, जिससे मूल प्रिंटेड अवस्था की तुलना में धातु की समग्र शक्ति काफी कम हो गई।
इस अध्ययन ने इस निर्माण प्रक्रिया में एक स्पष्ट ट्रेड-ऑफ (संतुलन का अभाव) को उजागर किया। प्रारंभिक प्रिंटिंग ने एक ऐसी सामग्री बनाई जो मजबूत लेकिन भंगुर थी क्योंकि परतों के बीच छिपे हुए अंतराल थे। उन अंतरालों को सील करने से धातु फिर से सुरक्षित और लचीली हो गई, लेकिन इससे धातु की भारी भार उठाने की क्षमता कम हो गई। शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि इस तकनीक को वास्तविक विमान के पुर्जों के लिए काम करने योग्य बनाने के लिए, वे केवल प्रिंटिंग के बाद धातु को ठीक करने पर निर्भर नहीं रह सकते। इसके बजाय, उन्हें प्रिंटिंग प्रक्रिया को ही इतना बेहतर बनाना होगा कि वे अंतराल बनने से पहले ही रुक जाएं, और साथ ही गर्मी को भी सावधानी से नियंत्रित करना होगा ताकि मरम्मत के दौरान धातु की आंतरिक शक्ति नष्ट न हो। यह कार्य इस बात को रेखांकित करता है कि हालांकि सॉलिड-स्टेट प्रिंटिंग जटिल, उच्च-शक्ति वाले पुर्जे बनाने के लिए एक आशाजनक मार्ग प्रदान करती है, लेकिन दोषों को समाप्त करने और मजबूती को बनाए रखने के बीच संतुलन बनाना ही इसे पारंपरिक विनिर्माण का एक व्यवहार्य विकल्प बनाने की कुंजी है।
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