Effect of HIP and Laser Shock Peening Sequence on the Fatigue Behavior of Laser Powder Bed Fused Ti6Al4V
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि दोष-युक्त लेजर पाउडर बेड फ्यूज्ड Ti-6Al4V के लिए, हॉट आइसोस्टैटिक प्रेसिंग के बाद लेजर शॉक पीनिंग करने से रिवर्स अनुक्रम की तुलना में बेहतर थकान प्रदर्शन प्राप्त होता है, क्योंकि संभवतः पूर्ववर्ती प्रक्रिया समान आंतरिक दोष मेट्रिक्स के बावजूद लाभकारी सतह संपीड़न तनावों को संरक्षित करती है।
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हवाई जहाजों और चिकित्सा प्रत्यारोपण (मेडिकल इम्प्लांट्स) के धातु के पुर्जे तेजी से एक ऐसी प्रक्रिया द्वारा बनाए जा रहे हैं जो उन्हें परत-दर-परत निर्मित करती है, जिसमें धातु के सूक्ष्म कणों को पिघलाने के लिए एक उच्च-शक्ति वाले लेजर का उपयोग किया जाता है। यह विधि, जिसे लेजर पाउडर बेड फ्यूजन कहा जाता है, इंजीनियरों को ऐसे आकार बनाने की अनुमति देती है जो एक ठोस ब्लॉक से मशीनिंग करके बनाना असंभव होता। हालांकि, इस तीव्र निर्माण के साथ एक छिपी हुई लागत आती है: पुर्जों में अक्सर सूक्ष्म खामियां होती हैं। फंसी हुई गैस की नन्ही जेबें और वे क्षेत्र जहाँ धातु पूरी तरह से आपस में नहीं मिल पाई, दरारें शुरू होने के बिंदु के रूप में कार्य कर सकते हैं। जब इन पुर्जों को बार-बार तनाव (स्ट्रेस) का सामना करना पड़ता है, जैसे कि इंजन का कंपन या मानव शरीर का भार, तो ये छोटी खामियां टूट-फूट में बदल सकती हैं, जिससे पुर्जा अपने निर्धारित समय से बहुत पहले ही विफल हो सकता है। इन पुर्जों को महत्वपूर्ण उपयोग के लिए सुरक्षित बनाने हेतु, निर्माताओं को इन दोषों को हटाना और सतह को मजबूत करना होता है, लेकिन इन सुधारों को लागू करने का क्रम पहले की तुलना में कहीं अधिक महत्वपूर्ण है।
शोधकर्ताओं ने टाइटेनियम मिश्र धातु के पुर्जों पर उपयोग की जाने वाली दो शक्तिशाली मरम्मत तकनीकों के संबंध में एक विशिष्ट प्रश्न का परीक्षण करने का निर्णय लिया। पहली तकनीक, हॉट आइसोस्टैटिक प्रेसिंग (hot isostatic pressing), में धातु को लगभग 1,500 डिग्री फारेनहाइट तक गर्म किया जाता है और अत्यधिक गैस दबाव के साथ उसे दबाया जाता है। यह प्रक्रिया धातु के लिए एक गहरे समुद्र गोताखोर के प्रेशर सूट की तरह कार्य करती है, जो आंतरिक वायु जेबों को ढहने और सामग्री को वापस जोड़ने के लिए मजबूर करती है। दूसरी तकनीक, लेजर शॉक पीनिंग (laser shock peening), एक उच्च-ऊर्जा लेजर पल्स का उपयोग करती है जो एक शॉकवेव पैदा करती है जो सतह से टकराती है। यह प्रभाव बाहरी परत को प्लास्टिक रूप से विकृत (deform) करता है, प्रभावी रूप से इसे संपीड़न (compression) की स्थिति में हथौड़े की तरह मारता है जिससे दरारें शुरू होना या फैलना बहुत कठिन हो जाता है। जबकि दोनों विधियाँ प्रदर्शन में सुधार के लिए जानी जाती हैं, वैज्ञानिक यह जानना चाहते थे कि क्या इन दोनों को लागू करने का क्रम अंतिम परिणाम को बदल देता है। क्या इससे कोई फर्क पड़ता कि धातु को पहले दबाया और गर्म किया गया, और फिर पीन किया गया, या पहले पीन किया गया और फिर दबाया गया?
इसका उत्तर खोजने के लिए, टीम ने छोटे, नॉच वाले (notched) टाइटेनियम नमूनों का एक बैच तैयार किया, जिन्हें जानबूझकर दोषपूर्ण बनाया गया था, ताकि एक कम-आदर्श विनिर्माण रन का अनुकरण किया जा सके। उन्होंने इन पुर्जों को दो समूहों में विभाजित किया। एक समूह को पहले लेजर शॉक पीनिंग उपचार मिला, उसके बाद हॉट आइसोस्टैटिक प्रेसिंग। दूसरे समूह को इसके विपरीत क्रम में उपचार मिला: पहले हॉट आइसोस्टैटिक प्रेसिंग, फिर लेजर शॉक पीनिंग। इसके बाद, शोधकर्ताओं ने पुर्जों के भीतर देखने के लिए उन्नत एक्स-रे इमेजिंग का उपयोग किया, बचे हुए दोषों की संख्या गिनी और उनके आकार और स्वरूप को मापा। इसके बाद, उन्होंने प्रत्येक नमूने को एक कठोर थकान परीक्षण (fatigue test) के अधीन किया, जिसमें नियंत्रित भार के तहत उन्हें तब तक आगे-पीछे मोड़ा गया जब तक कि वे टूट नहीं गए या एक मिलियन चक्रों तक जीवित नहीं रहे।
परिणामों ने एक आश्चर्यजनक विसंगति को प्रकट किया जो एक्स-रे छवियों और पुर्जों के वास्तविक प्रदर्शन के बीच थी। जब शोधकर्ताओं ने धातु के भीतर देखा, तो दोनों समूह बहुत समान दिखाई दिए। दोनों में बिना उपचारित पुर्जों की तुलना में आंतरिक दोषों की संख्या कम थी, और शेष छेदों का औसत आकार लगभग एक जैसा था। वास्तव में, वह समूह जिसे पहले हॉट आइसोस्टैटिक प्रेसिंग से उपचारित किया गया और फिर पीन किया गया, उसमें स्कैन के अनुसार सबसे बड़ा एकल शेष दोष और आंतरिक दोषों का कुल आयतन सबसे अधिक था। केवल इन आंतरिक मापों के आधार पर, कोई उम्मीद कर सकता था कि यह समूह खराब प्रदर्शन करेगा। फिर भी, जब पुर्जों का परीक्षण किया गया, तो इसके विपरीत हुआ। अंत में पीन किए गए नमूनों ने काफी अधिक समय तक जीवित रहकर प्रदर्शन किया। उनमें से दो तो एक मिलियन चक्रों के बाद भी नहीं टूटे, जिसे 'रन-आउट' (run-out) के रूप में जाना जाता है, जबकि दूसरे समूह के किसी भी नमूने ने इस मील के पत्थर तक का सफर तय नहीं किया।
शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि संचालन का क्रम धातु की सतह की अंतिम अवस्था को मौलिक रूप से बदल देता है, जो एक ऐसा कारक है जिसे एक्स-रे स्कैन नहीं देख सका। जब लेजर शॉक पीनिंग को अंत में लागू किया गया, तो इसने एक ताज़ा, कठोर और संकुचित सतह परत बनाई जो बाद के परीक्षण के दौरान बरकरार रही। दूसरे क्रम में, जहाँ पीनिंग पहले हुई थी, धातु को फिर आइसोस्टैटिक प्रेसिंग की उच्च ऊष्मा के संपर्क में लाया गया। इस थर्मल एक्सपोजर ने संभवतः पीनिंग द्वारा बनाए गए लाभकारी संपीड़न तनावों (compressive stresses) को शिथिल या फीका कर दिया होगा, जिससे सतह दरारों के प्रति कम सुरक्षित रह गई। अध्ययन बताता है कि इन टाइटेनियम पुर्जों के लिए, चरणों का क्रम थकान जीवन (fatigue life) के लिए सबसे महत्वपूर्ण है। यह संकेत देता है कि निर्माताओं को हमेशा आंतरिक उपचार के बाद सतह को मजबूत करने वाला उपचार करना चाहिए, जिससे यह सुनिश्चित हो सके कि सुरक्षात्मक सतह की स्थिति पुर्जे को सेवा में लाने तक बनी रहे। यह खोज रेखांकित करती है कि जटिल विनिर्माण में, चरणों का क्रम स्वयं चरणों जितना ही महत्वपूर्ण है, और केवल आंतरिक दोषों को देखना कभी-कभी उस वास्तविक कारण को चूक सकता है जिसके कारण कोई पुर्जा सफल या विफल होता है।
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