تنقية مصهورات المعادن بالموجات فوق الصوتية
- تُظهر الموجات فوق الصوتية عالية القدرة في المعادن والسبائك المنصهرة تأثيرات مفيدة متنوعة، مثل تشكيل البنية وإزالة الغازات وتحسين الترشيح.
- تعزز المعالجة بالموجات فوق الصوتية التصلب غير الشجيري في المعادن السائلة وشبه الصلبة.
- للمعالجة بالموجات فوق الصوتية فوائد كبيرة في تنعيم البنية المجهرية للحبيبات الشجيرية والجسيمات الأولية للمركبات بين الفلزية.
- علاوة على ذلك، يمكن استخدام الموجات فوق الصوتية عالية القدرة بصورة موجهة لتقليل مسامية المعدن أو لإنتاج بُنى ذات مسام متوسطة الحجم.
- وأخيرًا، تحسن الموجات فوق الصوتية عالية القدرة جودة المسبوكات.
تصلب مصهورات المعادن بالموجات فوق الصوتية
يؤثر تشكل البُنى غير الشجيرية أثناء تصلب مصهورات المعادن في خصائص المادة، مثل المقاومة والمطيلية والمتانة و/أو الصلادة.
تعديل تنوي الحبيبات بالموجات فوق الصوتية: يزيد التجويف الصوتي وقوى القص الشديدة الناتجة عنه من مواقع التنوي وعدد النوى في المصهور. تؤدي معالجة المصهورات بالموجات فوق الصوتية إلى تنوٍّ غير متجانس وتفتت البُنى الشجيرية، بحيث يُظهر المنتج النهائي تنعيمًا أكبر بكثير للحبيبات.
يسبب التجويف بالموجات فوق الصوتية ابتلالًا متجانسًا للشوائب غير المعدنية في المصهور. وتتحول هذه الشوائب إلى مواقع للتنوي، تمثل نقاط بدء التصلب. ولأن نقاط التنوي هذه تقع أمام جبهة التصلب، لا يحدث نمو للبُنى الشجيرية.
البنية العيانية لسبيكة Ti بعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية. تؤدي المعالجة بالموجات فوق الصوتية إلى تنعيم ملحوظ للبنية الحبيبية.
تعمل الدكتورة Andreeva-Bäumler، من جامعة بايرويت، باستخدام جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية UIP1000hdT على تشكيل بُنى نانوية للمعادن.
تأثيرات الموجات فوق الصوتية في صلادة فيكرز للسبيكة: تحسن المعالجة بالموجات فوق الصوتية الصلادة المجهرية وفق فيكرز في المعدن
(الدراسة والرسم البياني: ©Ruirun et al., 2017)
تفتت البُنى الشجيرية: يبدأ انصهار البُنى الشجيرية عادةً عند الجذر بسبب ارتفاع درجة الحرارة موضعيًا والانفصال التركيبي. تولد المعالجة بالموجات فوق الصوتية حملًا حراريًا قويًا (انتقال الحرارة بفعل الحركة الكتلية لمائع) وموجات صدمية في المصهور، مما يؤدي إلى تفتت البُنى الشجيرية. ويمكن للحمل الحراري أن يعزز تفتت البُنى الشجيرية بسبب درجات الحرارة الموضعية الشديدة والتغيرات في التركيب، كما يعزز انتشار المذاب. وتساعد الموجات الصدمية الناتجة عن التجويف على تكسر تلك الجذور الآخذة في الانصهار.
إزالة الغازات من السبائك المعدنية بالموجات فوق الصوتية
إزالة الغازات تأثير مهم آخر للموجات فوق الصوتية عالية القدرة في المعادن والسبائك السائلة وشبه الصلبة. يولد التجويف الصوتي دورات متناوبة من الضغط المنخفض / الضغط المرتفع. وخلال دورات الضغط المنخفض، تتشكل فقاعات فراغية دقيقة في السائل أو المعلق. وتعمل هذه الفقاعات الفراغية كنوى لتشكل فقاعات الهيدروجين والبخار. وبفعل تشكل فقاعات هيدروجين أكبر، ترتفع فقاعات الغاز. ويساعد التدفق والجريان الصوتيان هذه الفقاعات على الطفو إلى السطح والخروج من المصهور، بحيث يمكن إزالة الغاز وخفض تركيزه في المصهور.
تقلل إزالة الغازات بالموجات فوق الصوتية من مسامية المعدن، مما يحقق كثافة أعلى للمادة في المنتج النهائي من المعدن / السبيكة.
ترفع إزالة الغازات من سبائك الألومنيوم بالموجات فوق الصوتية مقاومة الشد القصوى للمادة ومطيليتها. وتُعد أنظمة الموجات فوق الصوتية الصناعية عالية القدرة الأفضل بين طرق إزالة الغازات التجارية الأخرى من حيث الفعالية وزمن المعالجة. كما تتحسن عملية ملء القالب بسبب انخفاض لزوجة المصهور.
خصائص الانضغاط لسبيكة Ti44Al6Nb1Cr2V عند أزمنة مختلفة للمعالجة بالموجات فوق الصوتية. تحسن المعالجة بالموجات فوق الصوتية مقاومة الانضغاط بدرجة كبيرة.
(الدراسة والرسم البياني: ©Ruirun et al., 2017)
السونوترود الخزفي BS4D22L3C هو سونوترود خاص مناسب لمعالجة السوائل ذات درجات الحرارة المرتفعة، مثل الألومنيوم المنصهر، بالموجات فوق الصوتية (مثلًا للخلط وإزالة الغازات).
التأثير الشعري الصوتي أثناء الترشيح
يمثل التأثير الشعري للموجات فوق الصوتية في المعادن السائلة القوة الدافعة لإزالة شوائب الأكاسيد أثناء ترشيح المصهورات بمساعدة الموجات فوق الصوتية. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
يُستخدم الترشيح لإزالة الشوائب غير المعدنية من المصهور. وأثناء الترشيح، يمر المصهور عبر شبكات مختلفة (مثل الألياف الزجاجية) لفصل الشوائب غير المرغوب فيها. وكلما صغرت فتحات الشبكة، تحسنت نتيجة الترشيح.
في الظروف المعتادة، لا يستطيع المصهور المرور عبر مرشح ذي طبقتين بحجم مسام ضيق جدًا يبلغ 0.4–0.4mm. لكن الترشيح بمساعدة الموجات فوق الصوتية يتيح للمصهور المرور عبر مسام الشبكة بفضل التأثير الشعري الصوتي. وفي هذه الحالة، تحتجز القنوات الشعرية للمرشح حتى الشوائب غير المعدنية التي يبلغ حجمها 1–10μm. وبفضل زيادة نقاوة السبيكة، يُتجنب تشكل مسام الهيدروجين عند الأكاسيد، مما يزيد مقاومة الكلال للسبيكة.
أظهر Eskin et al. (2014: 120ff.) أن الترشيح بالموجات فوق الصوتية يتيح تنقية سبائك الألومنيوم AA2024 وAA7055 وAA7075 باستخدام مرشحات من الألياف الزجاجية متعددة الطبقات (تصل إلى 9 طبقات) ذات فتحات شبكية بحجم 0.6×0.6mm. وعند الجمع بين عملية الترشيح بالموجات فوق الصوتية وإضافة مواد تحفيز التنوي، يتحقق تنعيم للحبيبات في الوقت نفسه.
تقوية السبائك المعدنية بالموجات فوق الصوتية
ثبت أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية فعالة للغاية في تشتيت الجسيمات النانوية بصورة متجانسة في المعلقات. ولذلك، تُعد أجهزة التشتيت بالموجات فوق الصوتية أكثر المعدات شيوعًا لإنتاج المواد المركبة المقواة بالجسيمات النانوية.
تُستخدم الجسيمات النانوية (مثل Al2O3/SiC وCNTs) كمادة تقوية. وتُضاف الجسيمات النانوية إلى السبيكة المنصهرة وتُشتت بالموجات فوق الصوتية. ويحسن التجويف والجريان الصوتيان تفكيك التكتلات وقابلية ابتلال الجسيمات، مما يؤدي إلى تحسين مقاومة الشد ومقاومة الخضوع والاستطالة.
معدات الموجات فوق الصوتية للتطبيقات الشاقة
يتطلب استخدام الموجات فوق الصوتية عالية القدرة في علم الفلزات أنظمة متينة وموثوقة للموجات فوق الصوتية يمكن تركيبها في البيئات ذات المتطلبات الصعبة. توفر Hielscher Ultrasonics معدات موجات فوق صوتية بمستوى صناعي للتركيب في التطبيقات الشاقة والبيئات القاسية. وجميع أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية لدينا مصممة للتشغيل على مدار 24/7. تجمع أنظمة Hielscher للموجات فوق الصوتية عالية القدرة بين المتانة والموثوقية وإمكانية التحكم الدقيق.
تتطلب العمليات ذات المتطلبات الصعبة – مثل تنقية مصهورات المعادن – القدرة على إجراء معالجة مكثفة بالموجات فوق الصوتية. توفر أجهزة المعالجة الصناعية بالموجات فوق الصوتية من Hielscher Ultrasonics سعات اهتزاز مرتفعة جدًا. ويمكن التشغيل المستمر بسهولة بسعات اهتزاز تصل إلى 200µm على مدار 24/7. وللحصول على سعات اهتزاز أعلى، تتوفر سونوترودات مخصصة للموجات فوق الصوتية.
لمعالجة السوائل والمصهورات بالموجات فوق الصوتية عند درجات حرارة مرتفعة جدًا، تقدم Hielscher سونوترودات متنوعة وملحقات مخصصة لضمان نتائج معالجة مثلى.
يعطيك الجدول أدناه مؤشرًا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية لدينا:
| حجم الدفعة | معدل التدفق | الأجهزة الموصى بها |
|---|---|---|
| 10 إلى 2000mL | 20 إلى 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 إلى 20L | 0.2 إلى 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 إلى 100L | 2 إلى 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 إلى 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | أكبر | مجموعة من أجهزة UIP16000 |
اتصل بنا! / اسألنا!
المصادر/المراجع
- Eskin, Georgy I.; Eskin, Dmitry G. (2014): Ultrasonic Treatment of Light Alloy Melts. CRC Press,Technology & Engineering 2014.
- Jia, S.; Xuan, Y.; Nastac, L.; Allison, P.G.; Rushing, T.W: (2016): Microstructure, mechanical properties and fracture behavior of 6061 aluminium alloy-based nanocomposite castings fabricated by ultrasonic processing. International Journal of Cast Metals Research, Vol. 29, Iss. 5: TMS 2015 Annual Meeting and Exhibition 2016. 286-289.
- Ruirun, C. et al. (2017): Effects of ultrasonic vibration on the microstructure and mechanical properties of high alloying TiAl. Sci. Rep. 7, 2017.
- Skorb, E.V.; Andreeva, D.V. (2013): Bio-inspired ultrasound assisted construction of synthetic sponges. J. Mater. Chem. A, 2013,1. 7547-7557.
- Tzanakis,I.; Xu, W.W.; Eskin, D.G.; Lee, P.D.; Kotsovinos, N. (2015): In situ observation and analysis of ultrasonic capillary effect in molten aluminium . Ultrasonic Sonochemistry 27, 2015. 72-80.
- Wu, W.W:; Tzanakis, I.; Srirangam, P.; Mirihanage, W.U.; Eskin, D.G.; Bodey, A.J.; Lee, P.D. (2015): Synchrotron Quantification of Ultrasound Cavitation and Bubble Dynamics in Al-10Cu Melts.
حقائق تستحق المعرفة
الموجات فوق الصوتية عالية القدرة والتجويف
عندما تُقرن موجات فوق صوتية عالية الشدة بالسوائل أو المعلقات، فإن ظاهرة التجويف تحدث.
تسبب الموجات فوق الصوتية عالية القدرة ومنخفضة التردد تشكل فقاعات التجويف في السوائل والمعلقات بطريقة مضبوطة. وتولد الموجات فوق الصوتية الشديدة دورات متناوبة من الضغط المنخفض / الضغط المرتفع في السائل. وتولد هذه التغيرات السريعة في الضغط فجوات تُسمى فقاعات التجويف. ويمكن اعتبار فقاعات التجويف المستحثة بالموجات فوق الصوتية مفاعلات كيميائية مجهرية توفر درجات حرارة وضغوطًا مرتفعة على المقياس المجهري، حيث تتشكل أنواع كيميائية نشطة، مثل الجذور الحرة، من الجزيئات المذابة. وفي سياق كيمياء المواد، يتمتع التجويف بالموجات فوق الصوتية بإمكانات فريدة لتحفيز التفاعلات موضعيًا عند درجات حرارة مرتفعة (تصل إلى 5000 K) وضغوط مرتفعة (500atm)، بينما يبقى النظام على المقياس العياني قريبًا من درجة حرارة الغرفة والضغط المحيط. (راجع Skorb, Andreeva 2013)
تعتمد المعالجات بالموجات فوق الصوتية أساسًا على تأثيرات التجويف. وفي علم الفلزات، تُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية تقنية ذات مزايا كبيرة لتحسين صب المعادن والسبائك.
إلى جانب معالجة مصهورات المعادن، تُستخدم المعالجة بالموجات فوق الصوتية أيضًا لإنشاء بُنى نانوية شبيهة بالإسفنج وأنماط نانوية على أسطح المعادن الصلبة، مثل التيتانيوم والسبائك. وتُظهر هذه الأجزاء من التيتانيوم والسبائك، التي شُكلت بنيتها النانوية بالموجات فوق الصوتية، إمكانات كبيرة كغرسات تعزز تكاثر الخلايا المولدة للعظم. اقرأ المزيد عن تشكيل البنية النانوية لغرسات التيتانيوم بالموجات فوق الصوتية!