टायटेनियम आणि त्याचे संमिश्र धातूंचे यंत्रण सोपे होणार

भारतीय तंत्रज्ञान संस्था मुंबई येथील संशोधक अनुशीतन वापरुन टायटेनियमला आकार देण्याची प्रक्रिया सोपी करायचा प्रयत्न करत आहेत

टायटेनियम पासून बनवलेले संमिश्र धातू विमानाच्या इंजिन पासून मानवी शरीरातील विविध इंप्लांटपर्यन्त अनेक ठिकाणी वापरले जातात. हे संमिश्र धातू कठीण, टिकाऊ, मजबूत व हलके असतात, झिजत नाहीत आणि बायोकंपॅटिबल असतात, म्हणजे शरीरासाठी विषारी नसतात. यामुळे ते अत्यंत लोकप्रिय आहेत. मात्र, याच वैशिष्ट्यांचा तोटा असा की हे धातू हव्या त्या आकारात कापणे अत्यंत अवघड असते. जर या संमिश्र धातूंची भौतिक वैशिष्ट्ये बदलली तर त्यांना कापणे सोपे होईल का?

भारतीय तंत्रज्ञान संस्था मुंबई येथील नॅशनल सेंटर फॉर एरोस्पेस इनोवेशन अँड रिसर्च मधील यंत्र अभियांत्रिकी विभागाचे प्रा. सुशील मिश्रा यांच्या नेतृत्वात संशोधकांचा एक गट या प्रश्नाचे उत्तर शोधण्यात व्यस्त आहे. मागील तीन वर्षात रेणूंच्या पातळीवर संमिश्र धातूंची रचना बदलण्यासाठी त्यांनी अनेक पद्धती शोधून त्या अंमलात आणून बघितल्या, उदाहरणार्थ ज्यात धातू गरम करून मग हळूहळू थंड करतात ते अनुशीतन, किंवा लेझर वापरुन तापवणे. टायटेनियम संमिश्र धातूंचे यंत्रण किंवा मशीनिंग सोपे जावे हा या वापरण्यास सोप्या पद्धती शोधण्याचा उद्देश आहे. यंत्रण म्हणजे अतिरिक्त धातू तासून त्याला हवा तसा आकार देणे.

विविध उत्पादने निर्माण करण्यासाठी धातूला आकार देण्याची एक लोकप्रिय पद्धत म्हणजे कातन किंवा टर्निंग. या पद्धतीत धातूचा दंडगोल गोल फिरत राहतो व त्याचा  पृष्ठभाग तासून त्याला आकार देण्यासाठी एक अवजार वापरले जाते. टायटेनियमला आकार देण्यासाठी टर्निंग वापरणे अवघड असते कारण धातू कठिण असल्यामुळे कापणारे अवजार समतल पातळीवर हलत नाही. यामुळे वैद्यकीय उपयोगाच्या वस्तू बनवताना त्यांचे पृष्ठभाग गुळगुळीत करता येत नाहीत. टर्निंग करताना जेव्हा तासणारे साधन धातूच्या पृष्ठभागावरील थर तासते तेव्हा त्याखालील थराचा आकार बदलल्यामुळे (सबसर्फेस डिफॉर्मेशन) निर्माण होणार्‍या वस्तूची संरचनात्म्क वैशिष्ट्ये कमकुवत होतात आणि पुढे त्यांची झीज लवकर होते. या व्यतिरिक्त, टायटेनियम उष्णतेचे चांगले वाहक नसल्यामुळे तासताना होणार्‍या घर्षणामुळे निर्माण झालेली उष्णता पटकन अपाकृत (धातू लवकर थंड होत नाही) होत नाही आणि परिणामतः पृष्ठभाग असमतल आणि खडबडीत होतो.

अत्यधिक उष्णतेमुळे तासणार्‍या अवजाराचे नुकसान होते, त्याची धार बोथट होते, आणि त्याच्या देखरेखीचा खर्च वाढतो. या उणीवा कमी करण्यासाठी अवजाराच्या साहित्यात, त्याच्या भूमितीत, प्रक्रियेच्या घटकात बदल केले, किंवा उष्णता अपाकृत करण्यासाठी शीतक (कूलंट) वापरले तरी पण या सगळ्याचा खर्च कधीकधी संमिश्र धातूच्या किंमती एवढा होतो!

टायटेनियम संमिश्र धातूला आकार देण्याची प्रक्रिया किती सोपी किंवा कठीण आहे हे संमिश्र धातूचे काठिन्य, आकार, त्यातील स्फटिकांचा आकार आणि त्यातील घटक यावर अवलंबून असते, असे या पूर्वी केलेल्या संशोधनात असे आढळून आले आहे. म्हणून जर टायटेनियम धातूच्या सूक्ष्म-संरचनेत बदल केला तर त्याला आकार देणे सोपे होऊ शकते. अनुशीतन आणि लेसर वापरुन तापवणे या पद्धती वापरुन वरील घटक बदलता येतील का यावर नॅशनल सेंटर फॉर एरोस्पेस इनोवेशन अँड रिसर्च, भारतीय तंत्रज्ञान संस्था मुंबई येथील संशोधक संशोधन करत आहेत.

आकार देणे सोपे करण्यासाठी नवीन दृष्टिकोन

टायटेनियम संमिश्र धातू 'पुनर्स्फटिकीकरण' तापमानापर्यंत, म्हणजेच द्रवणांकापेक्षा थोडे कमी असलेल्या तापमानापर्यंत तापवून हळूहळू थंड केला (म्हणजे अनुशीतन केले) तर धातूची स्फटिकी संरचना बदलते. संशोधकांनी ७००^०से आणि ९००^०से या दोन तापमानावर अनुशीतनाची चाचणी केली. त्यांना असे लक्षात आले की ७००^०से तापमानाला अंशतः स्फटिकीकरण झाले आणि ९००^०से तापमानाला संपूर्ण स्फटिकीकरण झाले आणि मोठ्या कणांची संरचना तयार झाली. अनुशीतनाचे तापमान वाढवल्यावर धातूचे काठिन्य कमी झाले असेही त्यांच्या लक्षात आले.

संशोधक माहिती देताना म्हणाले, "अनुशीतन न केलेल्या संमिश्र धातूचे काठिन्य हे ९२५^०से तापमानाला अनुशीतन केलेल्या धातुपेक्षा सुमारे १८% अधिक असते." संशोधकांनी असेही निष्कर्ष काढले की पुनर्स्फटिकीकरणामुळे धातू तासताना तासणार्‍या अवजारावर काम करणारे बल कमी होते आणि त्यामुळे धातूच्या पृष्ठभागाखालील थराचा आकारही कमी बदलतो. अनुशीतन केल्यामुळे आकार देणे सोपे झाले तरीही धातूची कणखरता कमी झाल्यामुळे अनुशीतन हा सर्वोत्तम पर्याय नाही. ही समस्या सोडवण्यासाठी संशोधकांनी लेसर वापरुन धातू तापवण्याचा विचार केला.

धातूला आकार देताना साधारणपणे फक्त पृष्ठभाग तासला जातो आणि म्हणून फक्त तेवढ्या थराचे काठिन्य कमी असले तरी ते पर्याप्त ठरेल. म्हणून संमिश्र धातूच्या फक्त पृष्ठभागातील सूक्ष्म संरचना बदलण्यासाठी संशोधकांनी लेसर बीम वापरुन ते तापवले. त्यांनी एक केन्द्रित लेसर बीम धातूच्या एका टोकापासून दुसर्‍या टोकापर्यंत हलवून धातूचे पृष्ठभाग पुनर्स्फटिकीकरण तापमानापेक्षा अधिक, म्हणजे सुमारे १२००^०से पर्यन्त तापवला. धातू वितळू नये म्हणून त्यांनी लेसरच्या तीव्रतेवर नियंत्रण ठेवले.  नंतर  तापवलेला धातूचा नमुना हळूहळू थंड होऊ दिला. या प्रक्रियेनंतर त्यांना आढळले की पृष्ठभाग आणि त्याखालील थरात सुईच्या आकाराची स्फटिके निर्माण झाली. त्याहून खाली असलेल्या थरात स्फटिकांचा आकार अधिक रुंद होता जो मूळ स्फटिकांच्या आकारासारखाच होता.

संशोधकांनी १०, १५, २० आणि २५ मिलीमिटर प्रति मिनिट अशा विविध गतीने लेसर हलवून प्रयोग केले. त्यांना २० मिलीमिटर/मिनिट वेगापर्यन्त सूक्ष्म संरचनेत लक्षणीय बदल दिसले, पण त्यापेक्षा अधिक गती वाढवल्यावर विशेष फरक दिसला नाही. संशोधक समजावून सांगताना म्हणाले, "संमिश्र धातू उष्णतेचे चांगला वाहक नसल्यामुळे लेसर हलवण्याची गती वाढवल्यावर उष्णता खालच्या थरापर्यंत पोहचायला वेळ मिळत नाही. म्हणून अशा परिस्थितीत लेसरमुळे प्रभावित झालेल्या भागाची खोली अगदी कमी असते, आणि सूक्ष्म संरचनेत अत्यंत कमी बदल होतो."

एकूणच लेसरमुळे प्रभावित झालेल्या क्षेत्राचे काठिन्य मूळ धातूपेक्षा अधिक होते. काठिन्य वाढल्यामुळे आणि सूक्ष्म संरचनेत बदल झाल्यामुळे टायटेनियम संमिश्र धातूंना आकार देताना तासणार्‍या आवजाराचीची कंपन कमी व्हायला मदत होते. म्हणून अवजार दीर्घकाळ टिकते. त्या व्यतिरिक्त आकार देताना लेसरमुळे प्रभावित क्षेत्र तासले गेले तरीही अधिक काठिन्य असलेला व बदललेली सूक्ष्म संरचना असलेला काही भाग मागे उरतो. यामुळे भविष्यात नुकसान आणि भंग होण्यापासून संरक्षण मिळते.

लेसर वापरल्यानंतर संमिश्र धातूचे यंत्रण सोपे झाले व तासणार्‍या अवजारावर काम करणारे बल कमी झाले ज्यामुळे पृष्ठभाग गुळगुळीत होण्यास मदत झाली. संशोधकांनी हे लेसरमुळे बदललेले धातू कसे तासले जाते याचा पण अभ्यास केला. त्यांच्या लक्षात आले की तासल्यावर निघणारे तास पूर्वीपेक्षा अधिक लांबीचे होते, म्हणजेच लक्षणीय कंपन न होता तासणारे अवजार समानरूपाने आकार देऊ शकले. यामुळे अवजाराचे नुकसान होत नाही आणि त्याचे आयुष्यही वाढते. संशोधकांनी लेसर अनुशीतन प्रक्रियेसाठी एक सांख्यिक प्रतिरूप पण निर्माण केले ज्याचे निष्कर्ष आणि प्रयोगातील निरीक्षणे समान होती.

लेसर स्कॅन करताना लेसर पुढे सरकेल तसे संमिश्र धातूमध्ये उष्णता संचयित होत गेल्यामुळे उष्णता अधिक खोलवर पोहचते हे लेसर वापरण्याचे एक मोठे आव्हान होते. संशोधक म्हणाले, "स्कॅनच्या सुरूवातीला उष्णता लक्षणीय प्रमाणात खोलवर पोहचली. स्कॅन सुमारे २५-३० मिलीमिटर पुढे गेल्यानंतर उष्णता पोहचण्याची पातळी एका विशिष्ट खोलीवर स्थिरावली.  "या असमान उष्णतेमुळे धातूचा काही भाग वाया जाऊ शकतो कारण फक्त समान खोलीवर उष्णता पोहचलेले साहित्यच पुढे वापरता येते. संशोधक यावर उपाय सांगताना म्हणाले, "सांख्यिकी प्रतिरूप वापरुन असे दिसले की धातूवर लेसर फिरवताना लेसरची तीव्रता बदलली तर उष्णता पूर्ण धातूच्या लांबीत समान खोलीपर्यंत पोहचेल आणि वरील समस्या दूर होईल."

प्रा. मिश्रा या अभ्यासाबाबत बोलताना म्हणाले, "उद्योगात अनुशीतन आणि लेसर प्रक्रिया सर्वसामान्यपणे वापरली जाते. आमच्या संशोधनात वापरलेले पर्याय अंमलात आणण्यासाठी कोणतेही विशेष किंवा नवीन बदल करावे लागणार नाही." भविष्यात त्यांच्या कामाच्या दिशेबद्दल प्रा. मिश्रा म्हणतात, "लेसर प्रक्रिया केल्यानंतर धातू तासणार्‍या अवजाराचे आयुष्य आणि प्रक्रिया न केलेल्या धातूवर वापरल्या जाणार्‍या अवजाराचे आयुष्य यांची तुलना करायला पाहिजे. मिलिंग (पेषण) सारख्या इतर आकार देण्याच्या पद्धतींसाठी पण आमची प्रक्रिया वापरता येईल."

हा लेख खालील प्रकाशनांवर आधारित आहे:

A new approach to control and optimize the laser surface heat treatment of materials

Microstructural Development Due to Laser Treatment and Its Effect on Machinability of Ti6Al4V Alloy

Effect of microstructure and cutting speed on machining behavior of Ti6Al4V alloy

Influence of Laser Heat Treatment on Machinability of Ti6Al4V Alloy