एयरोस्पेस और ऊर्जा क्षेत्र के लिए सुपरअलॉय मशीनिंग में सुधार हेतु नए कोटिंग्स

वैज्ञानिकों द्वारा विकसित उन्नत सतह-इंजीनियरिंग पद्धति सुपरअलॉय की मशीनिंग में उपयोग किए जाने वाले कटिंग टूल्स की टिकाऊ क्षमता में सुधार करने में मदद कर सकती है। PIB की रिपोर्ट के अनुसार, यह नई खोज एयरोस्पेस, ऊर्जा और पेट्रोकेमिकल क्षेत्रों के लिए अत्यंत फायदेमंद साबित हो सकती है। इन क्षेत्रों में ऐसे घटक बनाने के लिए निकल-आधारित सुपरअलॉय का उपयोग अनिवार्य है जो अत्यंत कठिन और विषम परिस्थितियों में कार्य कर सकें।

विमान के इंजन, पावर प्लांट और पेट्रोकेमिकल सिस्टम में उपयोग के लिए सुपरअलॉय की मशीनिंग करना विनिर्माण क्षेत्र में एक बड़ी चुनौती रही है। इनकोनेल 718 (IN718), IN625 और IN617 जैसे निकल-आधारित सुपरअलॉय में असाधारण मजबूती और कठोरता होती है, जिसके कारण उन्हें काटना या आकार देना बहुत कठिन हो जाता है। मशीनिंग के दौरान इन धातुओं में तेजी से वर्क हार्डनिंग होती है, उनकी तापीय चालकता कम होती है और कटिंग टूल्स के साथ उनकी तीव्र रासायनिक अंतःक्रिया होती है। इन कारकों के कारण कटिंग टूल्स तेजी से घिस जाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप उत्पादकता घटती है और उत्पादन लागत में वृद्धि होती है।

हैदराबाद स्थित इंटरनेशनल एडवांस्ड रिसर्च सेंटर फॉर पाउडर मेटलर्जी एंड न्यू मैटेरियल्स (ARCI) के वैज्ञानिकों ने इस समस्या के समाधान के लिए काम किया है। ARCI विज्ञान और प्रौद्योगिकी विभाग (DST) का एक स्वायत्त अनुसंधान और विकास केंद्र है। वैज्ञानिकों ने व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले टंगस्टन कार्बाइड कटिंग टूल्स पर दो नए नैनोकम्पोजिट सुरक्षात्मक कोटिंग्स विकसित किए और उनका मूल्यांकन किया है। इन दो कोटिंग्स के नाम टाइटेनियम एल्युमीनियम सिलिकॉन नाइट्राइड (TiAlSiN) और क्रोमियम एल्युमीनियम सिलिकॉन नाइट्राइड (CrAlSiN) हैं।

इन कोटिंग्स को संस्थान में ही 'कैथोडिक-आर्क फिजिकल वेपर डिपोजिशन' तकनीक का उपयोग करके लगाया गया था। इस पद्धति के माध्यम से वैज्ञानिकों को IN718, IN625 और IN617 की मिलिंग प्रक्रिया के लिए इन टूल्स के प्रदर्शन का मूल्यांकन करने में मदद मिली। इस अध्ययन में न केवल टूल्स के कार्यकाल का, बल्कि कोटिंग के प्रदर्शन को प्रभावित करने वाली प्रक्रियाओं का भी परीक्षण किया गया था।

इस शोध में एक अत्यंत महत्वपूर्ण निष्कर्ष सामने आया है कि कोई भी एक ही प्रकार का कोटिंग प्रत्येक सुपरअलॉय के लिए सर्वश्रेष्ठ प्रदर्शन नहीं कर सकता है। सुरक्षात्मक कोटिंग की प्रभावशीलता इस बात पर बहुत अधिक निर्भर करती है कि मशीनिंग की जाने वाली धातु की रासायनिक संरचना क्या है और उस धातु की कोटिंग के साथ होने वाली अंतःक्रिया कैसी है। यह खोज निर्माताओं को सटीक सामग्री के अनुसार उपयुक्त कोटिंग चुनने के लिए वैज्ञानिक आधार प्रदान करती है।

अध्ययन के परिणाम दर्शाते हैं कि IN718 के लिए TiAlSiN कोटिंग वाले टूल के जीवनकाल में बिना कोटिंग वाले टूल की तुलना में लगभग 80% का सुधार देखा गया था। जबकि IN625 के लिए यह सुधार लगभग 60% दर्ज किया गया था। हालांकि, IN617 के लिए CrAlSiN कोटिंग का प्रदर्शन उल्लेखनीय रूप से उत्कृष्ट रहा, जिससे टूल के जीवनकाल में 200% से भी अधिक की वृद्धि हुई। ये परिणाम स्पष्ट करते हैं कि एक कोटिंग IN718 और IN625 के लिए अधिक उपयुक्त हो सकती है, जबकि दूसरी कोटिंग IN617 के लिए बहुत अच्छा प्रदर्शन कर सकती है।

वैज्ञानिकों ने इस बात की भी जांच की कि कटिंग टूल्स किस प्रकार विफल होते हैं। टूल्स को नुकसान पहुंचाने का एक मुख्य कारण वर्कपीस सामग्री का टूल की सतह के साथ बार-बार चिपकना था। मशीनिंग के दौरान, सुपरअलॉय की एक परत कटिंग एज के साथ चिपक सकती है और जब वह परत बाद में टूटकर अलग होती है, तो वह टूल के छोटे टुकड़ों को भी अपने साथ खींच लेती है, जिससे धीरे-धीरे टूल के सिरे टूटने लगते हैं (चिपिंग)। ये सुरक्षात्मक कोटिंग्स इस प्रकार के नुकसान को टालने और टूल के जीवनकाल को बढ़ाने में सहायक सिद्ध हुए। शोधकर्ताओं ने चिपिंग और क्रमिक घिसाव को टूल विफल होने के मुख्य प्रकारों के रूप में पहचाना, जिसमें घिसाव (abrasion), चिपकना (adhesion) और क्षरण (attrition) पूरी घिसाव प्रक्रिया में योगदान देते हैं।

वैज्ञानिकों ने मशीनिंग के दौरान उत्पन्न होने वाले धातु के चिप्स का भी निरीक्षण किया था। इन चिप्स में विशिष्ट शियर बैंड्स और आरी जैसे दांतों वाली पैटर्न देखी गई, जो काटते समय उत्पन्न हुई तीव्र थर्मो-मैकेनिकल स्थितियों को दर्शाती हैं। चिप्स के विभाजन की मात्रा टूल के प्रदर्शन से संबंधित थी, जो इस उन्नत अलॉय के जटिल मशीनिंग व्यवहार के बारे में अधिक समझ प्रदान करती है।

अधिक समय तक चलने वाले कटिंग टूल्स के उपयोग से मशीनों के बंद रहने के समय (डाउनटाइम) में कमी लाई जा सकती है, उत्पादकता बढ़ाई जा सकती है और उच्च इंजीनियरिंग घटकों की मशीनिंग की लागत को कम किया जा सकता है। यह अध्ययन सुरक्षात्मक कोटिंग के लिए विज्ञान-आधारित और सटीक एप्लिकेशन-विशिष्ट दृष्टिकोण की ओर संकेत करता है। निर्माता अब प्रत्येक स्थिति के लिए एक ही सार्वभौमिक कोटिंग खोजने के बजाय, मशीनिंग की जाने वाली सटीक अलॉय की संरचना और उसके व्यवहार के आधार पर कोटिंग चुन या डिजाइन कर सकते हैं। इससे उन्नत सामग्रियों से बने घटकों का अधिक कुशल, विश्वसनीय और सस्ता उत्पादन संभव होगा।

ARCI के इंजीनियरड कोटिंग्स सेंटर में किया गया यह शोध 'मटेरियल्स टुडे कम्युनिकेशंस' जर्नल में प्रकाशित किया गया है। यह अध्ययन साबित करता है कि उद्योगों में सबसे चुनौतीपूर्ण सामग्रियों की मशीनिंग में सुधार की कुंजी केवल बेहतर कोटिंग विकसित करने में नहीं है, बल्कि सही सामग्री के लिए सही कोटिंग चुनने में निहित है।

ARCI पाउडर मेटलर्जी और नई सामग्रियों के लिए एक अंतरराष्ट्रीय उन्नत अनुसंधान केंद्र था, जो भारत सरकार के विज्ञान और प्रौद्योगिकी विभाग के तहत एक स्वायत्त अनुसंधान और विकास केंद्र था।