એરોસ્પેસ અને એનર્જી ક્ષેત્ર માટે સુપરએલોય મશીનિંગમાં સુધારો કરવા નવા કોટિંગ્સ

વૈજ્ઞાનિકો દ્વારા વિકસાવવામાં આવેલી અદ્યતન સપાટી-એન્જિનિયરિંગ પદ્ધતિ સુપરએલોયના મશીનિંગમાં વપરાતા કટિંગ ટૂલ્સની ટકાઉ ક્ષમતામાં સુધારો કરવામાં મદદ કરી શકે છે. PIB ના અહેવાલ મુજબ, આ નવી શોધ એરોસ્પેસ, ઉર્જા અને પેટ્રોકેમિકલ ક્ષેત્રો માટે અત્યંત ફાયદાકારક સાબિત થઈ શકે છે. આ ક્ષેત્રોમાં એવા ઘટકો બનાવવા માટે નિકલ-આધારિત સુપરએલોયનો ઉપયોગ અનિવાર્ય છે જે અત્યંત કઠિન અને વિષમ પરિસ્થિતિઓમાં કાર્ય કરી શકે છે.

વિમાનના એન્જિન, પાવર પ્લાન્ટ્સ અને પેટ્રોકેમિકલ સિસ્ટમ્સમાં ઉપયોગ માટે સુપરએલોયનું મશીનિંગ કરવું એ ઉત્પાદન ક્ષેત્રે એક મોટો પડકાર રહ્યો છે. ઇનકોનલ ૭૧૮ (IN718), IN625 અને IN617 જેવા નિકલ-આધારિત સુપરએલોયમાં અસાધારણ મજબૂતી અને સખતપણું હોય છે, જેના કારણે તેમને કાપવા અથવા આકાર આપવો ખૂબ જ મુશ્કેલ બને છે. મશીનિંગ દરમિયાન આ ધાતુઓમાં ઝડપથી વર્ક હાર્ડનિંગ થાય છે, તેમની તાપીય વાહકતા ઓછી હોય છે અને કટિંગ ટૂલ્સ સાથે તેમની તીવ્ર રાસાયણિક આંતરક્રિયા થાય છે. આ પરિબળોને કારણે કટિંગ ટૂલ્સ ઝડપથી ઘસાઈ જાય છે, જેના પરિણામે ઉત્પાદકતા ઘટે છે અને ઉત્પાદન ખર્ચમાં વધારો થાય છે.

હૈદરાબાદ સ્થિત ઇન્ટરનેશનલ એડવાન્સ્ડ રિસર્ચ સેન્ટર ફોર પાવડર મેટલર્જી એન્ડ ન્યૂ મટિરિયલ્સ (ARCI) ના વૈજ્ઞાનિકોએ આ સમસ્યાના ઉકેલ માટે કામ કર્યું છે. ARCI એ વિજ્ઞાન અને ટેકનોલોજી વિભાગ (DST) નું એક સ્વાયત્ત સંશોધન અને વિકાસ કેન્દ્ર છે. વૈજ્ઞાનિકોએ વ્યાપકપણે ઉપયોગમાં લેવાતા ટંગસ્ટન કાર્બાઇડ કટિંગ ટૂલ્સ પર બે નવા નેનોકમ્પોઝિટ સુરક્ષાત્મક કોટિંગ્સ વિકસાવ્યા અને તેનું મૂલ્યાંકન કર્યું છે. આ બે કોટિંગ્સના નામ ટાઇટેનિયમ એલ્યુમિનિયમ સિલિકોન નાઈટ્રાઇડ (TiAlSiN) અને ક્રોમિયમ એલ્યુમિનિયમ સિલિકોન નાઈટ્રાઇડ (CrAlSiN) છે.

આ કોટિંગ્સને સંસ્થામાં જ 'કેથોડિક-આર્ક ફિઝિકલ વેપર ડિપોઝિશન' ટેકનિકનો ઉપયોગ કરીને લગાવવામાં આવ્યા હતા. આ પદ્ધતિ દ્વારા વૈજ્ઞાનિકોને IN718, IN625 અને IN617 ની મિલિંગ પ્રક્રિયા માટે આ ટૂલ્સના પ્રદર્શનનું મૂલ્યાંકન કરવામાં મદદ મળી હતી. આ અભ્યાસમાં માત્ર ટૂલ્સના કાર્યકાળનું જ નહીં, પરંતુ કોટિંગના પ્રદર્શનને અસર કરતી પ્રક્રિયાઓનું પણ પરીક્ષણ કરવામાં આવ્યું હતું.

આ સંશોધનમાં એક અત્યંત મહત્વપૂર્ણ તારણ સામે આવ્યું છે કે કોઈપણ એક જ પ્રકારનું કોટિંગ દરેક સુપરએલોય માટે શ્રેષ્ઠ પ્રદર્શન કરી શકતું નથી. સુરક્ષાત્મક કોટિંગની અસરકારકતા એ મશીનિંગ કરવામાં આવતી ધાતુની રાસાયણિક રચના અને તે ધાતુનું કોટિંગ સાથે થતું આંતરક્રિયા પર ઘણું બધું આધાર રાખે છે. આ શોધ ઉત્પાદકોને ચોક્કસ મટિરિયલ મુજબ યોગ્ય કોટિંગ પસંદ કરવામાં વૈજ્ઞાનિક આધાર પૂરો પાડે છે.

અભ્યાસના પરિણામો દર્શાવે છે કે IN718 માટે TiAlSiN કોટિંગવાળા ટૂલના આયુષ્યમાં કોટિંગ વગરના ટૂલની સરખામણીમાં આશરે ૮૦% નો સુધારો જોવા મળ્યો હતો. જ્યારે IN625 માટે આ સુધારો આશરે ૬૦% નોંધાયો હતો. જોકે, IN617 માટે CrAlSiN કોટિંગનું પ્રદર્શન નોંધપાત્ર રીતે ચઢિયાતું રહ્યું હતું, જેનાથી ટૂલના આયુષ્યમાં ૨૦૦% થી પણ વધુનો વધારો થયો હતો. આ પરિણામો સ્પષ્ટ કરે છે કે એક કોટિંગ IN718 અને IN625 માટે વધુ યોગ્ય હોઈ શકે છે, જ્યારે બીજું કોટિંગ IN617 માટે ઘણું સારું પ્રદર્શન કરી શકે છે.

વૈજ્ઞાનિકોએ કટિંગ ટૂલ્સ કઈ રીતે નિષ્ફળ જાય છે તેની પણ તપાસ કરી હતી. ટૂલ્સને નુકસાન પહોંચાડવાનું એક મુખ્ય કારણ વર્કપીસ મટિરિયલનું ટૂલની સપાટી સાથે વારંવાર ચોંટી જવું હતું. મશીનિંગ દરમિયાન, સુપરએલોયનું એક પડ કટિંગ એજ સાથે ચોંટી શકે છે અને જ્યારે તે પડ પછીથી તૂટીને અલગ પડે છે, ત્યારે તે ટૂલના નાના ટુકડાઓને પણ પોતાની સાથે ખેંચી લે છે, જેના કારણે ધીમે ધીમે ટૂલના છેડા તૂટવા લાગે છે (ચિપિંગ). આ સુરક્ષાત્મક કોટિંગ્સ આ પ્રકારના નુકસાનને મોકૂફ રાખવામાં અને ટૂલના આયુષ્યને વધારવામાં મદદરૂપ થયા હતા. સંશોધકોએ ચિપિંગ અને ક્રમિક ઘસારો એ ટૂલ નિષ્ફળ જવાના મુખ્ય પ્રકારો તરીકે ઓળખ્યા હતા, જેમાં ઘસારો (abrasion), ચોંટી જવું (adhesion) અને ઘસારો (attrition) એ સમગ્ર ઘસારો પ્રક્રિયામાં ફાળો આપે છે.

વૈજ્ઞાનિકોએ મશીનિંગ દરમિયાન ઉત્પન્ન થતા ધાતુના ચિપ્સનું પણ નિરીક્ષણ કર્યું હતું. આ ચિપ્સમાં વિશિષ્ટ શિયર બેન્ડ્સ અને કરવત જેવા દાંતાવાળી પેટર્ન જોવા મળી હતી, જે કાપતી વખતે સર્જાયેલી તીવ્ર થર્મો-મિકેનિકલ પરિસ્થિતિઓને પ્રતિબિંબિત કરે છે. ચિપ્સના વિભાજનની માત્રા ટૂલના પ્રદર્શન સાથે સંબંધિત હતી, જે આ અદ્યતન એલોયના જટિલ મશીનિંગ વર્તણૂક વિશે વધુ સમજ પૂરી પાડે છે.

વધારે સમય સુધી ચાલતા કટિંગ ટૂલ્સના ઉપયોગથી મશીનોના બંધ રહેવાના સમયમાં ઘટાડો કરી શકાય છે, ઉત્પાદકતા વધારી શકાય છે અને ઉચ્ચ એન્જિનિયરિંગ ઘટકોના મશીનિંગના ખર્ચમાં ઘટાડો કરી શકાય છે. આ અભ્યાસ સુરક્ષાત્મક કોટિંગ માટે વિજ્ઞાન-આધારિત અને ચોક્કસ એપ્લિકેશન-સ્પેસિફિક અભિગમ તરફ નિર્દેશ કરે છે. ઉત્પાદકો હવે દરેક પરિસ્થિતિ માટે એક જ સાર્વત્રિક કોટિંગ શોધવાને બદલે, મશીનિંગ કરવામાં આવતી ચોક્કસ એલોયની રચના અને તેના વર્તણૂક પર આધારિત કોટિંગ પસંદ કરી અથવા ડિઝાઇન કરી શકે છે. આનાથી અદ્યતન સામગ્રીમાંથી બનેલા ઘટકોનું વધુ કાર્યક્ષમ, વિશ્વસનીય અને સસ્તું ઉત્પાદન શક્ય બનશે.

ARCI ના એન્જિનિયર્ડ કોટિંગ્સ સેન્ટરમાં કરવામાં આવેલ આ સંશોધન 'મટિરિયલ્સ ટુડે કોમ્યુનિકેશન્સ' જર્નલમાં પ્રકાશિત કરવામાં આવ્યું છે. આ અભ્યાસ સાબિત કરે છે કે ઉદ્યોગોમાં સૌથી પડકારજનક સામગ્રીના મશીનિંગને સુધારવાની ચાવી માત્ર વધુ સારું કોટિંગ વિકસાવવામાં નથી, પરંતુ યોગ્ય સામગ્રી માટે યોગ્ય કોટિંગ પસંદ કરવામાં રહેલી છે.

ARCI એ પાવડર મેટલર્જી અને નવી સામગ્રી માટેનું એક આંતરરાષ્ટ્રીય અદ્યતન સંશોધન કેન્દ્ર હતું, જે ભારત સરકારના વિજ્ઞાન અને ટેકનોલોજી વિભાગ હેઠળનું એક સ્વાયત્ત સંશોધન અને વિકાસ કેન્દ્ર હતું.