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Diode Area Melting of Ti6Al4V: Effects of Multi-Laser Processing on Microstructure and Residual Stress

यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि मल्टी-लेजर एरे का उपयोग करके डायोड एरिया मेल्टिंग (DAM), पारंपरिक लेजर पाउडर बेड फ्यूजन की तुलना में Ti6Al4V में कूलिंग रेट और अवशिष्ट तन्य तनाव (residual tensile stresses) को काफी कम कर देता है, जिसके परिणामस्वरूप मोटे सूक्ष्म संरचनाएं (coarser microstructures) और बेहतर सॉलिडिफिकेशन नियंत्रण प्राप्त होता है।

मूल लेखक: Anqi Liang, Sarath Veetil, Kristian Groom, Kamran Mumtaz

प्रकाशित 2026-06-25

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Anqi Liang, Sarath Veetil, Kristian Groom, Kamran Mumtaz

मूल पेपर CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

कल्पना कीजिए कि आप एक आदर्श रेत का महल बनाने की कोशिश कर रहे हैं, लेकिन गीली रेत के बजाय, आप सूक्ष्म धातु पाउडर का उपयोग कर रहे हैं, और अपने हाथों के बजाय, आप उन्हें आपस में पिघलाने के लिए लेजर का उपयोग कर रहे हैं। यह एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग (धातु 3D प्रिंटिंग) के पीछे का मूल विचार है।

आमतौर पर, इसे करने का सबसे लोकप्रिय तरीका LPBF (लेजर पाउडर बेड फ्यूजन) कहलाता है। LPBF को एक अत्यंत शक्तिशाली, उच्च गति वाले स्पॉटलाइट (एक फाइबर लेजर) का उपयोग करके धातु के एक छोटे से बिंदु को पिघलाने और उसे इतनी तेज़ी से चलाने के रूप में सोचें कि वह लगभग तुरंत जम जाता है। हालांकि यह धातु को बहुत मजबूत बनाता है, लेकिन इसका "थर्मल शॉक" (तापीय झटका) ठंडे पानी में गर्म पैन डालने जैसा है। यह भारी आंतरिक तनाव (अवशिष्ट तनाव/residual stress) पैदा करता है जो भाग को विकृत कर सकता है या उसमें दरार भी डाल सकता है, और इसकी सतह अक्सर खुरदरी और ऊबड़-खाबड़ होती है।

यह शोध पत्र एक नई विधि पेश करता है जिसे डायोड एरिया मेल्टिंग (DAM) कहा जाता है। एक एकल, उच्च-शक्ति वाले स्पॉटलाइट के बजाय, कल्पना करें कि आप एक साथ काम करने वाले कम शक्ति वाले फ्लैशलाइट्स की एक बार (पट्टी) का उपयोग कर रहे हैं (डायोड लेजर)।

शोधकर्ताओं ने पाया कि जब उन्होंने टाइटेनियम (Ti6Al4V), जो हवाई जहाजों और चिकित्सा प्रत्यारोपणों में इस्तेमाल होने वाली धातु है, को पिघलाने के लिए इस "फ्लैशलाइट बार" का उपयोग किया:

1. "फ्लैशलाइट बार" बनाम "स्पॉटलाइट"

शोधकर्ताओं ने एक कस्टम हेड का उपयोग किया जिसमें 3, 4, या 5 छोटे लेजर एक-दूसरे के बगल में कतार में लगे थे। उन्होंने इस पूरे बार को धातु के पाउडर के ऊपर चलाया।

उपमा: यदि LPBF एक सर्जन द्वारा एक बारीक रेखा काटने के लिए सटीक स्कैल्पल (शल्य उपकरण) के उपयोग जैसा है, तो DAM एक चौड़े, गर्म आयरन (इस्त्री) की तरह है जो एक बार में एक पूरे हिस्से को चिकना करता है।
परिणाम: क्योंकि लेजर कम शक्ति के हैं लेकिन एक बड़े क्षेत्र को कवर करते हैं, इसलिए धातु उतनी हिंसक रूप से गर्म और ठंडी नहीं होती है। यह एक अधिक सौम्य, नियंत्रित प्रक्रिया है।

2. चिकनी सतहें ("आइस रिंक" प्रभाव)

जब आप केवल 3 लेजर का उपयोग करते हैं, तो पिघले हुए ट्रैक बहुत अधिक ओवरलैप नहीं होते, जिससे सतह ऊबड़-खाबड़ रह जाती है (जैसे एक ऊबड़-खाबड़ सड़क)। लेकिन जब उन्होंने 5 लेजर का उपयोग किया, तो पिघले हुए ट्रैक काफी अधिक ओवरलैप हुए।

उपमा: कल्पना कीजिए कि आप दीवार पेंट कर रहे हैं। यदि आप एक छोटे ब्रश (3 लेजर) का उपयोग करते हैं, तो आपको हर स्ट्रोक और गैप दिखाई देता है। यदि आप एक चौड़े रोलर (5 लेजर) का उपयोग करते हैं, तो पेंट ओवरलैप होता है, जिससे उभार चिकने हो जाते हैं।
दावा: 5-लेजर सेटअप ने पारंपरिक तरीकों की तुलना में बहुत अधिक चिकनी सतह बनाई। धातु "बॉल अप" नहीं हुआ या ऊबड़-खाबड़ चोटियाँ नहीं छोड़ी; यह बर्फ की एक शांत, सपाट चादर की तरह एक साथ बह गया।

3. "स्लो कुक" बनाम "फ्लैश फ्रीज"

सबसे महत्वपूर्ण खोज कूलिंग स्पीड (ठंडा होने की गति) के बारे में थी।

LPBF (पारंपरिक): यह धातु को इतनी तेज़ी से जमा देता है (पलक झपकते ही) कि इसकी आंतरिक क्रिस्टल संरचना एक अव्यवस्थित, तनावपूर्ण अवस्था में "फ्रीज" हो जाती है। यह सूप को फ्लैश-फ्रीज करने जैसा है; सामग्री को व्यवस्थित होने का समय नहीं मिलता।
DAM (नई विधि): यह धातु को बहुत धीरे-धीरे ठंडा करता है (हालांकि मानवीय मानकों के अनुसार अभी भी तेज़ है)।
उपमा: यह एक स्टेक को फ्लैश-फ्रीज़ करने (जो इसे सख्त और तनावपूर्ण बनाता है) और उसे स्लो-रोस्ट करने के बीच का अंतर है। धीमी कूलिंग धातु के आंतरिक क्रिस्टल (जिन्हें "ग्रेन्स" कहा जाता है) को बड़ा और अधिक व्यवस्थित होने देती है।
दावा: शोधकर्ताओं ने पाया कि धातु के क्रिस्टल मोटे (बड़े) थे और महत्वपूर्ण रूप से, धातु ने एक विशिष्ट चरण (जिसे बीटा फेज कहा जाता है) को बनाए रखा जो पारंपरिक प्रिंटिंग में आमतौर पर गायब हो जाता है। ऐसा इसलिए हुआ क्योंकि धातु के पास कठोर होने से पहले एक अधिक स्थिर आकार में सेट होने के लिए पर्याप्त "समय" था।

4. धातु में कम "तनाव" (अवशिष्ट तनाव)

चूंकि धातु अधिक धीरे-धीरे ठंडी हुई, इसलिए यह उतनी हिंसक रूप से नहीं सिकुड़ी।

उपमा: एक रबर बैंड के बारे में सोचें। यदि आप इसे खींचकर तुरंत छोड़ देते हैं, तो यह बहुत अधिक बल (उच्च तनाव) के साथ वापस आता है। यदि आप इसे धीरे-धीरे ढीला होने देते हैं, तो तनाव बहुत कम होता है।
दावा: इस नई विधि में धातु के भीतर "तनाव" (अवशिष्ट तनाव) पारंपरिक तरीकों की तुलना में काफी कम था। वास्तव में, तनाव इतना कम था कि धातु विकृत या चटका नहीं, भले ही वह पाउडर की एक एकल परत थी। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि यह तनाव स्तर उस बिंदु से बहुत नीचे था जहाँ धातु टूट सकती है।

निष्कर्ष का सारांश

शोध पत्र यह निष्कर्ष निकालता है कि एक उच्च-शक्ति वाले लेजर के बजाय 5 कम-शक्ति वाले लेजर की टीम का उपयोग करके, उन्होंने तीन मुख्य चीजें हासिल कीं:

चिकनी सतहें: धातु बहुत सपाट और चिकनी दिखती और महसूस होती थी।
बेहतर आंतरिक संरचना: धातु इतनी धीरे ठंडा हुआ कि एक अधिक स्थिर, व्यवस्थित क्रिस्टल संरचना के साथ कुछ अद्वितीय चरणों को बनाया, जो आमतौर पर तेज़ प्रिंटिंग में गायब हो जाते हैं।
कम तनाव: धातु आंतरिक रूप से बहुत अधिक शांत है, जिससे इसके विकृत होने या फटने का जोखिम कम हो जाता है।

महत्वपूर्ण नोट: शोधकर्ताओं ने इस अध्ययन में धातु पाउडर की केवल एकल परतों (single layers) का परीक्षण किया। उन्होंने यह सिद्ध किया कि यह अवधारणा एक परत के लिए काम करती है, लेकिन उन्होंने अभी तक एक पूर्ण, मोटी 3D वस्तु बनाने का परीक्षण नहीं किया है। उनका लक्ष्य यह दिखाना है कि यह "सौम्य" तापन विधि धातु के व्यवहार को अच्छे तरीके से बदल देती है, जो भविष्य के प्रयोगों के लिए मार्ग प्रशस्त करती है।

तकनीकी सारांश: Ti6Al4V का डायोड एरिया मेल्टिंग – सूक्ष्म संरचना और अवशिष्ट प्रतिबल पर मल्टी-लेजर प्रसंस्करण के प्रभाव

समस्या विवरण
लेजर पाउडर बेड फ्यूजन (LPBF) धातु घटकों के लिए एक प्रमुख एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग तकनीक है, फिर भी यह तीव्र तापीय चक्रों द्वारा उत्पन्न तीव्र तापमान प्रवणता (temperature gradients) और उच्च अवशिष्ट प्रतिबल (residual stresses) से बाधित होती है। ये स्थितियाँ अक्सर Ti6Al4V जैसे घटकों में वार्पिंग, क्रैकिंग और आयामी अस्थिरता का कारण बनती हैं। जबकि LPBF सुदृढ़ता के लिए लाभकारी सूक्ष्म संरचनाएं (fine microstructures) उत्पन्न करता है, इसके साथ जुड़े तापीय इतिहास (thermal history) से सॉलिडिफिकेशन व्यवहार पर नियंत्रण सीमित हो जाता है। डायोड एरिया मेल्टिंग (DAM) एक नवीन विकल्प के रूप में उभरा है, जो एक एकल उच्च-शक्ति फाइबर लेजर (जो गैल्वो सिस्टम द्वारा परावर्तित होता है) के बजाय कम शक्ति वाले डायोड लेजर एरे (808 nm) का उपयोग करता है। हालांकि पिछले अध्ययनों ने विभिन्न धातुओं के लिए DAM की व्यवहार्यता और कूलिंग रेट को कम करने की इसकी क्षमता को प्रदर्शित किया है, लेकिन इस बात की समझ सीमित है कि मल्टी-लेजर इंटरैक्शन विशेष रूप से Ti6Al4V में तापीय प्रवेश (thermal penetration), सॉलिडिफिकेशन व्यवहार और अवशिष्ट प्रतिबल विकास को कैसे प्रभावित करते हैं।

कार्यप्रणाली
इस अध्ययन में यूनिवर्सिटी ऑफ शेफ़ील्ड में विकसित एक कस्टम DAM सिस्टम का उपयोग किया गया, जिसमें एक गैन्ट्री-आधारित ऑप्टिकल हेड है जो 100 तक कम शक्ति वाले डायोड लेजर को एकीकृत करने में सक्षम है। इस जांच के लिए, 3, 4 और 5 संरेखित (aligned) डायोड लेजर (808 nm तरंग दैर्ध्य, प्रति लेजर 5 W) का उपयोग करके सिंगल-लेयर Ti6Al4V नमूने तैयार किए गए। प्रयोगात्मक डिजाइन में सक्रिय लेजरों की संख्या और स्कैनिंग गति (100, 150, 200, और 250 mm/min) को व्यवस्थित रूप से बदला गया, जबकि 200 µm का स्थिर हैच स्पेसिंग और 1 mm की पाउडर बेड मोटाई बनाए रखी गई।

विशेषण विधियों (Characterization methods) में शामिल थे:

सतह विश्लेषण: सतह खुरदरापन ( $R_a$ ) मापने के लिए 3D प्रोफाइलोमेट्री।
सूक्ष्म संरचना विश्लेषण: मेल्ट पूल ज्यामिति के लिए ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी (OM) और स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM); ग्रेन स्ट्रक्चर, फेज आइडेंटिफिकेशन और $\alpha$ -लैथ स्पेसिंग के लिए इलेक्ट्रॉन बैकस्कैटरड डिफ्रैक्शन (EBSD); और फेज कॉन्स्टिट्यूशन के लिए एक्स-रे विवर्तन (XRD)।
अवशिष्ट प्रतिबल विश्लेषण: स्कैनिंग ( $\sigma_{xx}$ ) और लंबवत ( $\sigma_{yy}$ ) दोनों दिशाओं में निकट-सतह अवशिष्ट प्रतिबल को मापने के लिए $\sin^2\psi$ विधि का उपयोग करते हुए XRD।
सिमुलेशन: विशिष्ट प्रसंस्करण स्थितियों के तहत कूलिंग रेट का अनुमान लगाने के लिए FLOW-3D™ सॉफ्टवेयर का उपयोग करके कम्प्यूटेशनल फ्लूइड डायनामिक्स (CFD)।

मुख्य परिणाम

सतह आकृति विज्ञान (Surface Morphology): DAM प्रक्रिया ने विशिष्ट 'एज़-बिल्ट' LPBF Ti6Al4V (जिसमें अक्सर $R_a$ 10–15 µm होता है) की तुलना में काफी चिकनी सतहें प्रदान कीं। 5-लेजर कॉन्फ़िगरेशन ने सबसे चिकनी सतहें ( $R_a$ = 1.2–1.3 µm) दीं, जिसका श्रेय आसन्न मेल्ट ट्रैक्स के बीच उच्च ओवरलैप अनुपात (लगभग 45.9%) को जाता है, जिसने आंशिक रीमेल्टिंग को बढ़ावा दिया और बॉलिंग (balling) को दबा दिया। इसके विपरीत, 3-लेजर कॉन्फ़िगरेशन के परिणामस्वरूप कम ओवरलैप और तापीय विच्छेदन के कारण अधिक खुरदरी सतहें ( $R_a$ = 5.4–6.6 µm) प्राप्त हुईं।
मेल्ट पूल और तापीय प्रवेश: लेजरों की संख्या बढ़ने से मेल्ट पूल की गहराई और हीट अफेक्टेड ज़ोन (HAZ) की गहराई दोनों बढ़ गईं। 100 mm/min पर 5-लेजर कॉन्फ़िगरेशन ने ~108 µm की मेल्ट पूल गहराई और ~475 µm की HAZ गहराई प्राप्त की। उच्च स्कैनिंग गति ने तापीय प्रवेश को कम कर दिया, जिससे उथले पूल और अस्थिरता बढ़ी।
सूक्ष्म संरचना और फेज: DAM प्रक्रिया के परिणामस्वरूप LPBF (आमतौर पर <0.5 µm) की तुलना में एक मोटा $\alpha$ -लैथ स्ट्रक्चर (0.8–1.3 µm) प्राप्त हुआ। यह मोटा होना DAM में देखे गए काफी कम कूलिंग रेट से जुड़ा है। महत्वपूर्ण रूप से, 4- और 5-लेजर नमूनों में, विशेष रूप से कम स्कैनिंग गति पर, पता लगाने योग्य $\beta$ -फेज रिटेंशन देखा गया। यह LPBF के विपरीत है, जहाँ तीव्र कूलिंग आमतौर पर मार्टेंसिटिक $\alpha'$ के पक्ष में $\beta$ -फेज रिटेंशन को दबा देती है। $\beta$ -फेज की उपस्थिति का कारण धीमी कूलिंग दर थी, जिसने डिफ्यूजन-कंट्रोल्ड ट्रांसफॉर्मेशन की अनुमति दी।
कूलिंग रेट: सिम्युलेटेड कूलिंग रेट 2,211 K/s से 8,400 K/s के बीच थे, जो LPBF की विशिष्ट $10^4$ – $10^7$ K/s की तुलना में काफी कम है। लेजरों की संख्या बढ़ने के साथ (हीट एक्यूमुलेशन के कारण) कूलिंग रेट कम हो गया और स्कैनिंग गति के साथ बढ़ गया।
अवशिष्ट प्रतिबल: DAM नमूनों में अवशिष्ट तन्यता प्रतिबल (tensile stress) LPBF के लिए रिपोर्ट किए गए मानों की तुलना में काफी कम था। अधिकतम मापा गया तन्यता प्रतिबल 138.2 MPa (3-लेजर, 250 mm/min स्थिति में) था, जबकि LPBF के मान 688 MPa को पार कर सकते हैं। प्रतिबल स्तर लेजरों की संख्या बढ़ने के साथ कम हो गया (5-लेजर नमूनों में सबसे कम प्रतिबल देखा गया) और स्कैनिंग गति के साथ बढ़ गया। प्रतिबल एनिसोट्रॉपी (anisotropy) LPBF के रुझानों का पालन करती है, जिसमें $\sigma_{xx}$ (स्कैनिंग दिशा) लगातार $\sigma_{yy}$ से अधिक रहा।

महत्व और दावे
लेखक दावा करते हैं कि DAM प्रक्रिया Ti6Al4V घटकों के लिए सॉलिडिफिकेशन व्यवहार और स्ट्रेस इवोल्यूशन पर बेहतर नियंत्रण प्रदान करती है। कई कम शक्ति वाले डायोड लेजरों का उपयोग करके, DAM काफी कम कूलिंग रेट प्राप्त करता है, जो मोटे $\alpha$ -लैथ के निर्माण और $\beta$ -फेज के रिटेंशन की सुविधा प्रदान करता है, जो LPBF में विशिष्ट मार्टेंसिटिक संरचनाओं से भिन्न है।

अध्ययन यह तर्क देता है कि ये कम कूलिंग रेट DAM में देखे गए पर्याप्त कम अवशिष्ट तन्यता प्रतिबल के लिए प्राथमिक तंत्र हैं। धीमे तापीय चक्र उच्च तापमान पर प्लास्टिक विरूपण (plastic deformation) के माध्यम से स्ट्रेस रिलैक्सेशन की अनुमति देते हैं, जिससे LPBF में होने वाली उच्च अवशिष्ट प्रतिबल की समस्या को कम किया जा सकता है, जो अक्सर वार्पिंग और क्रैकिंग का कारण बनती है। इसके अलावा, बेहतर सतह फिनिश और कम प्रतिबल स्तर यह सुझाव देते हैं कि DAM में थकान दरार (fatigue crack) की शुरुआत को रोककर घटकों के सेवा जीवन को बढ़ाने की क्षमता है।

लेखक एक सीमित दायरे को बनाए रखते हैं, यह नोट करते हुए कि वर्तमान निष्कर्ष सिंगल-लेयर नमूनों तक सीमित हैं जहाँ इंटर-लेयर तापीय चक्रण से उत्पन्न होने वाले प्रतिबल संचय को न्यूनतम किया गया है। वे निष्कर्ष निकालते हैं कि जबकि यह प्रक्रिया विश्वसनीय निर्माण के लिए आशाजनक दिखती है, भविष्य के कार्यों को बल्क कंपोनेंट उत्पादन में संचयी तापीय प्रभावों (cumulative thermal effects) को पूरी तरह से समझने के लिए मल्टी-लेयर नमूनों तक विस्तारित किया जाना चाहिए।

1. "फ्लैशलाइट बार" बनाम "स्पॉटलाइट"

2. चिकनी सतहें ("आइस रिंक" प्रभाव)

3. "स्लो कुक" बनाम "फ्लैश फ्रीज"

4. धातु में कम "तनाव" (अवशिष्ट तनाव)

निष्कर्ष का सारांश

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