Obrabotka Metallov / Metal Working and Material ScienceObrabotka Metallov / Metal Working and Material ScienceОбработка металлов (технология • оборудование • инструменты)1994-63092541-819XНовосибирский государственный технический университет39224710.17212/1994-6309-2026-28.1-81-100TECHNOLOGYТЕХНОЛОГИЯResearch ArticleSustainability evaluation using an eco-index for Inconel 718 EDM with a hybrid Al2O3 -graphene nano-dielectric fluidОценка устойчивости с использованием экоиндекса для электроэрозионной обработки сплава Inconel 718 с применением гибридной Al2O3-графеновой нанодиэлектрической жидкостиhttps://orcid.org/0000-0002-2761-875458037065800KulkarniPareshКулкарниПареш
India

Doctor of Philosophy, Assistant Professor

канд. техн. наук, доцент

paresh2410@gmail.comhttps://scholar.google.com/citations?user=qwk6lsoAAAAJ&hl=en&oi=aohttps://orcid.org/0000-0002-4175-309855573644700AAR-7619-2021ChinchanikarSatishЧинчаникарСатиш
India

D.Sc. (Engineering), Professor; 2. Vishwakarma Institute of Technology, Affiliated to Savitribai Phule Pune University, Pune - 411037, India; satish.chinchanikar@vit.edu

доктор техн. наук, профессор; 2. Технологический институт Вишвакарма, филиал Университета Савитрибай Пхуле Пуны, Пуна – 411037, Махараштра, Индия; satish.chinchanikar@vit.edu

satish.chinchanikar@vit.eduhttps://scholar.google.com/citations?hl=en&user=iRzKOQEAAAAJ&view_op=list_works&sortby=pubdateD.Y. Patil International UniversityМеждународный университет имени Д.И. ПатилаVishwakarma Institute of Technology, Affiliated to Savitribai Phule Pune UniversityТехнологический институт Вишвакарма, филиал Университета Савитрибай Пхуле Пуны15032026281VOL 28, NO1 (2026)ТОМ 28, №1 (2026)8110007032026Copyright ©; 2026, Kulkarni P., Chinchanikar S.Copyright ©; 2026, Кулкарни П., Чинчаникар С.2026Kulkarni P., Chinchanikar S.Кулкарни П., Чинчаникар С.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.rcsi.science/1994-6309/article/view/392247

Introduction. Environmentally sustainable machining is crucial to improve the manufacturing sector's cost-effectiveness and resource efficiency while mitigating its negative environmental impact. The “eco-index” is a multi-criteria metric that assesses the sustainability of the electrical discharge machining (EDM) of Inconel 718 by quantifying its total environmental and economic impact using a normalized and weighted approach. The purpose of this work is to describe the eco-index for Inconel 718 EDM, which assesses sustainability through environmental indicators such as energy and material consumption, waste generation, emissions, and toxicity, as well as economic indicators including operating and disposal costs along with productivity metrics. However, there are limited studies on sustainability evaluation using the eco-index for Inconel 718 EDM processed with a hybrid nano-dielectric fluid. The methods of investigation. This study investigates the machining performance and environmental sustainability of the EDM process of Inconel 718 using a hybrid nanoparticle-mixed dielectric fluid. A hybrid nano-dielectric fluid was prepared by dispersing Al2O3 and graphene nanoparticles in an equal proportion (total concentration of 0.1%) in EDM oil using a two-step method involving SDS as a surfactant, magnetic stirring, and ultrasonication to ensure a stable suspension. Experiments were conducted on an EDM machine with a copper electrode by varying the pulse on-time (50–150 µs), peak current (3–10 A), and discharge voltage (40–50 V). Key performance responses, including material removal rate (MRR), surface roughness (Ra), tool wear rate (TW), hole cylindricity (ρ), energy consumption (E), and a weighted eco-index (EI), were evaluated to quantify the combined productivity, quality, and sustainability performance. Results and Discussion. The results demonstrate that the hybrid nano-dielectric fluid improves overall EDM efficiency compared to conventional EDM oil by promoting stable discharge behaviour, enhanced heat transfer, and efficient debris flushing, which increases MRR, improves surface finish, reduces tool wear, enhances the cylindricity of the machined hole, and lowers energy consumption, leading to a higher eco-index across most machining conditions. Surface integrity analysis using SEM revealed a substantial reduction in recast layer thickness, which decreased from 17.05 µm (base oil) to 3.91 µm (hybrid nano-dielectric fluid), indicating reduced thermal damage and resolidification. EDX further confirmed nanoparticle involvement through carbon enrichment (graphene deposition) and Al–O signatures (alumina contribution), supporting the proposed mechanisms for improved plasma stability and reduced metallic redeposition. Overall, the hybrid Al2O3–graphene nano-dielectric fluid provides an effective and sustainable approach for the EDM of Inconel 718 by balancing precision, productivity, and environmental efficiency.

Введение. Экологически устойчивая механическая обработка крайне важна для повышения экономической эффективности и ресурсоэффективности производственного сектора при одновременном снижении его негативного воздействия на окружающую среду. «Экоиндекс» – это многокритериальный показатель, оценивающий устойчивость процесса электроэрозионной обработки (ЭЭО) сплава Inconel 718 путем количественного определения его общего экологического и экономического воздействия с использованием нормализованного и взвешенного подхода. Целью данной работы является описание экоиндекса для ЭЭО сплава Inconel 718. Экоиндекс оценивает устойчивость через такие экологические показатели, как потребление энергии и материалов, образование отходов, выбросы и токсичность, а также экономические показатели, включая эксплуатационные и утилизационные затраты наряду с показателями производительности. Однако существует ограниченное количество исследований по оценке устойчивости с использованием экоиндекса для ЭЭО сплава Inconel 718, обработанного с применением гибридной нанодиэлектрической жидкости. Методика исследования. В данном исследовании изучаются эксплуатационные характеристики обработки и экологическая устойчивость процесса ЭЭО сплава Inconel 718 при использовании гибридной диэлектрической жидкости с добавлением наночастиц. Гибридная нанодиэлектрическая жидкость была приготовлена методом диспергирования наночастиц Al?O? и графена в равной пропорции (общая концентрация 0,1 %) в масле для ЭЭО согласно двухстадийному методу, включающему применение ПАВ (додецилсульфата натрия), магнитное перемешивание и ультразвуковую обработку для обеспечения стабильности суспензии. Эксперименты проводились на станке для ЭЭО с медным электродом при варьировании длительности импульса (50…150 мкс), пикового тока (3…10 А) и напряжения разряда (40…50 В). Ключевые выходные характеристики, включая скорость съема материала (MMR), шероховатость поверхности (Ra), интенсивность износа инструмента (TW), цилиндричность отверстия (ρ), потребление энергии (E) и взвешенный экоиндекс (EI), были оценены для количественного определения совокупной производительности, качества и показателей устойчивости. Результаты и обсуждение. Результаты демонстрируют, что гибридная нанодиэлектрическая жидкость повышает общую эффективность ЭЭО по сравнению со стандартным маслом для ЭЭО за счет обеспечения более стабильного разряда, улучшенного теплоотвода и эффективного удаления продуктов эрозии. Это приводит к увеличению MRR, улучшению чистоты поверхности, снижению износа инструмента, уменьшению отклонения от цилиндричности обработанного отверстия и сокращению энергопотребления, что для большинства режимов обработки ведет к более высокому значению экоиндекса. Анализ целостности поверхности с помощью СЭМ выявил существенное уменьшение толщины повторно затвердевшего слоя, которая сократилась с 17,05 мкм (стандартное масло) до 3,91 мкм (гибридная нанодиэлектрическая жидкость), что свидетельствует о снижении термического повреждения и вторичного оплавления. EDX-анализ дополнительно подтвердил наличие наночастиц по обогащенному углеродному сигналу (осаждение графена) и наличию пиков Al-O (вклад оксида алюминия), что подтверждает предложенные механизмы улучшения стабильности плазмы и снижения металлического переосаждения. В целом гибридная диэлектрическая жидкость на основе наночастиц Al?O? и графена обеспечивает эффективный и экологически устойчивый метод электроэрозионной обработки сплава Inconel 718, при этом достигается оптимальный баланс между точностью обработки, производительностью и экологической эффективностью процесса.

Electrical Discharge Machining (EDM)Inconel 718SustainabilityNano-dielectric fluidEco-indexЭлектроэрозионная обработка (ЭЭО)Inconel 718Устойчивое развитиеНанодиэлектрическая жидкостьЭкоиндексMultiscale characterization of surface integrity of machined Inconel 718 / O. Schenk, M.V. Doost, P.B. genannt Wäcken, M. Meurer, T. Bergs, C. Broeckmann // Materials Letters. – 2026. – Vol. 403. – P. 139507. – DOI: 10.1016/j.matlet.2025.139507.Erosion characteristics of electrical discharge machining using graphene powder in deionized water as dielectric / X. Wang, S. Yi, H. Guo, C. Li, S. Ding // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2020. – Vol. 108 (1). – P. 357–368. – DOI: 10.1007/s00170-020-05405-8.Sharma P., Singh V., Sinha M.K. An in-depth analysis of MWCNTs and graphene nanofluids-based EDM: Investigating surface integrity in Inconel 825 superalloy // Precision Engineering. – 2024. – Vol. 91. – P. 546–558. – DOI: 10.1016/j.precisioneng.2024.10.018.Behera A., Saho A.K., Mahapatra S.S. Experimental investigation of plain and nano-graphene oxide mixed dielectric for sustainable EDM of Nimonic alloy using Cu and Brass electrode: A comparative study // Measurement. – 2025. – Vol. 241. – P. 115659. – DOI: 10.1016/j.measurement.2024.115659.Paswan K., Pramanik A., Chattopadhyaya S. Machining performance of Inconel 718 using graphene nanofluid in EDM // Materials and Manufacturing Processes. – 2020. – Vol. 35 (1). – P. 33–42. – DOI: 10.1080/10426914.2020.1711924.Dutta S., Sarma D.K., Dutta H. Investigation of performance characteristics amid nano powder mixed electrical discharge micro-milling on Hastelloy C 276 // Machining Science and Technology. – 2023. – Vol. 27 (6). – P. 610–652. – DOI: 10.1080/10910344.2023.2263776.NDEDM of Hastelloy using CNT-incorporated dielectric medium utilizing composite electrodes / R. Sambasivam, R. Ranjith, S. Verma, V.K. Verma // Materials and Manufacturing Processes. – 2025. – Vol. 40 (14). – P. 1839–1854. – DOI: 10.1080/10426914.2025.2549762.Pillai K.A., Hariharan P. Experimental investigation on surface and machining characteristics of micro ED milling of Ti-6Al-4 V with different nano powder mixed dielectrics // Silicon. – 2022. – Vol. 14 (6). – P. 2871–2894. – DOI: 10.1007/s12633-021-01041-3.Oskueyan S., Abedini V., Hajialimohammadi A. Effects of hybrid Al2O3-SiO2 nanoparticles in deionized water on the removal rate and surface roughness during electrical discharge machining of Ti-6Al-4V // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part E: Journal of Process Mechanical Engineering. – 2022. – Vol. 236 (3). – P. 1122–1133. – DOI: 10.1177/09544089211059311.Application of powder suspended in dielectric fluid for fine finish micro-EDM of Inconel 718 / G.S. Prihandana, T. Sriani, M. Mahardika, M. Hamdi, N. Miki, Y.S. Wong, K. Mitsui // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2014. – Vol. 75 (10). – P. 599–613. – DOI: 10.1007/s00170-014-6145-4.Powder mixed dielectric in electrical discharge machining of Inconel 718 / S. Ahmad, E. Abd Rahim, M.A. Lajis, M.R. Ibrahim // Journal of Mechanical Engineering (JMechE). – 2017. – Vol. 4 (3). – P. 110–127.Majumdar S., Bhoi N.K., Singh H. Graphene nano-powder mixed electric discharge machining of Inconel 625 alloy: optimization of process parameters for material removal rate // International Journal on Interactive Design and Manufacturing (IJIDeM). – 2023. – Vol. 17 (5). – P. 2341–2347. – DOI: 10.1007/s12008-022-00996-w.Electro-discharge machining of Inconel 825 super alloy: effects of tool material and dielectric flushing / S. Kumari, S. Datta, M. Masanta, G. Nandi, P.K. Pal // Silicon. – 2018. – Vol. 10 (5). – P. 2079–2099. – DOI: 10.1007/s12633-017-9728-5.Kulkarni P., Chinchanikar S. Machinability of Inconel 718 using unitary and hybrid nanofluids under minimum quantity lubrication // Advances in Materials and Processing Technologies. – 2024. – Vol. 11 (1). – P. 421–449. – DOI: 10.1080/2374068X.2024.2307103.Mandal P., Mondal S.C. Surface characteristics of mild steel using EDM with Cu-MWCNT composite electrode // Materials and Manufacturing Processes. – 2019. – Vol. 34 (12). – P. 1326–1332. – DOI: 10.1080/10426914.2019.1605179.Joshi A.Y., Joshi An.Y. A systematic review on powder mixed electrical discharge machining // Heliyon. – 2019. – Vol. 5 (12). – DOI: 10.1016/j.heliyon.2019.e02963.Parametric optimization and prediction of MRR and surface roughness of titanium mixed EDM for Inconel 718 using RSM and fuzzy logic / S. Bhowmick, R. Mondal, S. Sarkar, N. Biswas, J. De, G. Majumdar // CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology. – 2023. – Vol. 40. – P. 10–28. – DOI: 10.1016/j.cirpj.2022.11.002.Kumar S., Dhingra A.K., Kumar S. Parametric optimization of powder mixed electrical discharge machining for nickel-based superalloy inconel-800 using response surface methodology // Mechanics of Advanced Materials and Modern Processes. – 2017. – Vol. 3 (1). – P. 7. – DOI: 10.1186/s40759-017-0022-4.Pellegrini G., Ravasio C. A sustainability index for the micro-EDM drilling process // Journal of Cleaner Production. – 2020. – Vol. 247. – P. 119136. – DOI: 10.1016/j.jclepro.2019.119136.Tiwari T., Singh A.K., Rakurty C.S. Assessing process and environmental performance of SiC-PEG dielectric EDM: A comparative study // Manufacturing Letters. – 2025. – Vol. 44. – P. 1772–1778. – DOI: 10.1016/j.mfglet.2025.06.197.Viswanth V.S., Ramanujam R., Rajyalakshmi G. A review of research scope on sustainable and eco-friendly electrical discharge machining (E-EDM) // Materials Today: Proceedings. – 2018. – Vol. 5 (5). – P. 12525–12533. – DOI: 10.1016/j.matpr.2018.02.234.Sustainability of vegetable oil based bio-diesel as dielectric fluid during EDM process – A review / A. Yadav, Y. Singh, S. Singh, P. Negi // Materials Today: Proceedings. – 2021. – Vol. 46. – P. 11155–11158. – DOI: 10.1016/j.matpr.2021.01.967.State of the art in powder mixed dielectric for EDM applications / H. Marashi, D.M. Jafarlou, A.A.D. Sarhan, M. Hamdi // Precision Engineering. – 2016. – Vol. 46. – P. 11–33. – DOI: 10.1016/j.precisioneng.2016.05.010.Philip J.T., Mathew J., Kuriachen B. Transition from EDM to PMEDM–impact of suspended particulates in the dielectric on Ti6Al4V and other distinct material surfaces: A review // Journal of Manufacturing Processes. – 2021. – Vol. 64. – P. 1105–1142. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2021.01.056.Pellegrini G., Ravasio C. Evaluation of the sustainability of the micro-electrical discharge milling process // Advances in Production Engineering & Management. – 2019. – Vol. 14 (3). – P. 343–354. – DOI: 10.14743/apem2019.3.332.Pollesch N.L., Dale V.H. Normalization in sustainability assessment: Methods and implications // Ecological Economics. – 2016. – Vol. 130. – P. 195–208. – DOI: 10.1016/j.ecolecon.2016.06.018.A remote-sensing ecological index approach for restoration assessment of rare-earth elements mining / H. Hao, Z. Lian, J. Zhao, H. Wang, Z. He// Computational Intelligence and Neuroscience. – 2022. – P. 5335419. – DOI: 10.1155/2022/5335419.Development of composite sustainability performance index for steel industry / R.K. Singh, H.R. Murty, S.K. Gupta, A.K. Dikshit // Ecological Indicators. – 2007. – Vol. 7 (3). – P. 565–588. – DOI: 10.1016/j.ecolind.2006.06.004.Hosni N.A.J., Lajis M.A. Experimental investigation and economic analysis of surfactant (Span-20) in powder mixed electrical discharge machining (PMEDM) of AISI D2 hardened steel // Machining Science and Technology. – 2020. – Vol. 24 (3). – P. 398–424. – DOI: 10.1080/10910344.2019.1698609.Alrubaye I.D.K., Fantoni G. Toward green electrical discharge machining (EDM): state of art and outlook // Machining Science and Technology. – 2023. – Vol. 27 (1). – P. 63–105. – DOI: 10.1080/10910344.2023.2194961.Kulkarni P., Chinchanikar S. Cutting force modeling during turning Inconel 718 using unitary Al2O3 and hybrid MWCNT + Al2O3 nanofluids under minimum quantity lubrication // International Journal on Interactive Design and Manufacturing (IJIDeM). – 2025. – Vol. 19 (7). – P. 5185–5202. – DOI: 10.1007/s12008-024-02120-6.Philip J.T., Kuriachen B. Powder mixed electrical discharge machining (PMEDM) // Electric Discharge Hybrid-Machining Processes. CRC Press, 2022. – P. 239–282. – DOI: 10.1201/9781003202301.Sahu R.K., Hiremath S.S. Electrical discharge machining (EDM): Nanoparticle generation // Encyclopedia of Plasma Technology. Vol. 1. – CRC Press, 2016. – P. 432–442.Developments in powder mixed EDM and its perspective application for targeted surface modification / A. Schubert, V.D. Bui, I. Schaarschmidt, T. Berger, A. Martin // Procedia CIRP. – 2022. – Vol. 113. – P. 100–119. – DOI: 10.1016/j.procir.2022.09.134.Optimization of process parameters for better surface morphology of electrical discharge machining-processed Inconel 825 using hybrid response surface methodology-desirability function and multi-objective genetic algorithm approaches / P. Sharma, K. Kishore, V. Singh, M.K. Sinha // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2024. – Vol. 33 (20). – P. 11321–11337. – DOI: 10.1007/s11665-023-08751-2.Experimental investigations of using aluminum oxide (Al2O3) and nano-graphene powder in the electrical discharge machining of titanium alloy / R. Chaudhari, S. Khanna, V.K. Patel, J. Vora, S. Plaza, L.N.L. de Lacalle // Micromachines. – 2023. – Vol. 14 (12). – P. 2247. – DOI: 10.3390/mi14122247.A review on nanofluid stability: preparation and application / J. Wang, X. Yang, J.J. Klemeš, K. Tian, T. Ma, B. Sunden // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2023. – Vol. 188. – P. 113854. – DOI: 10.1016/j.rser.2023.113854.Behera A., Sahoo A.K., Mahapatra S.S. Experimental investigation of plain and nano-graphene oxide mixed dielectric for sustainable EDM of Nimonic alloy using Cu and Brass electrode: A comparative study // Measurement. – 2025. – Vol. 241. – P. 115659. – DOI: 10.1016/j.measurement.2024.115659.Dutta S., Sarma D.K. Application of graphene nano powder in the dielectric oil to optimize the machining variables during µ-EDM of Hastelloy C 276 // Materials Today: Proceedings. – 2023. – DOI: 10.1016/j.matpr.2023.04.521.Multi-objective optimization and characterization of cylindricity and material removal rate in nanographene mixed dielectric EDM using ANFIS and MOSOA / A. Goyal, D. Sharma, A. Bhowmick, V.K. Pathak // Sadhana. – 2022. – Vol. 47 (3). – P. 139. – DOI: 10.1007/s12046-022-01914-2.Performance measurement and analysis of coffee supply chain with SCOR method (case study of north Sumatera coffee) / W. Prasetya, C. Natalia, S. Dias, B. Elnath, A. Silalahi, K. Monique // IJRDO Journal of Business Management. – 2017. – Vol. 3 (11). – P. 1–17.Machining parameter optimization and experimental investigations of nano-graphene mixed electrical discharge machining of nitinol shape memory alloy / J. Vora, S. Khanna, R. Chaudhari, V.K. Patel, S. Paneliya, D.Y. Pimenov, K. Giasin, C. Prakash // Journal of Materials Research and Technology. – 2022. – Vol. 19. – P. 653–668. – DOI: 10.1016/j.jmrt.2022.05.076.Singh K., Agarwal A.K., Yadav R. Effect of dielectric fluids used on EDM performance: A review // International Journal of Emerging Technologies in Engineering Research. – 2017. – Vol. 5 (10). – P. 10–16.