Ултразвуково рафиниране на метални стопилки
- Мощният ултразвук в разтопени метали и сплави има различни благоприятни ефекти, като структуриране, дегазиране и подобрена филтрация.
- Ултразвуковата обработка подпомага недендритното втвърдяване на течни и полутвърди метали.
- Ултразвуковата обработка има значителни предимства за микроструктурното издребняване на дендритните зърна и първичните интерметални частици.
- Освен това мощният ултразвук може да се използва целенасочено за намаляване на порьозността на метала или за получаване на мезопорести структури.
- Не на последно място, мощният ултразвук подобрява качеството на отливките.
Ултразвуково втвърдяване на метални стопилки
Образуването на недендритни структури при втвърдяването на метални стопилки влияе върху свойствата на материала, като якост, пластичност, жилавост и/или твърдост.
Изменено чрез ултразвук зародишообразуване на зърната: Акустичната кавитация и нейните интензивни сили на срязване увеличават броя на местата за зародишообразуване и броя на зародишите в стопилката. Ултразвуковата обработка на стопилки води до хетерогенно зародишообразуване и фрагментация на дендритите, така че крайният продукт се характеризира със значително по-висока степен на издребняване на зърната.
Ултразвуковата кавитация предизвиква равномерно омокряне на неметалните примеси в стопилката. Тези примеси се превръщат в места за зародишообразуване, които са началните точки на втвърдяването. Тъй като тези точки на зародишообразуване са пред фронта на втвърдяване, не се наблюдава растеж на дендритни структури.
Макроструктура на Ti сплав след ултразвукова обработка. Ултразвуковата обработка води до значително издребнена зърнеста структура.
Д-р Andreeva-Bäumler от Университета в Байройт работи с ултразвуковия апарат UIP1000hdT за наноструктуриране на метали.
Влияние на ултразвука върху твърдостта по Викерс на сплавта: ултразвуковата обработка подобрява микротвърдостта по Викерс на метала
(изследване и графика: ©Ruirun et al., 2017)
Фрагментация на дендритите: Топенето на дендритите обикновено започва в основата поради локално повишаване на температурата и сегрегация. Ултразвуковата обработка генерира силна конвекция (пренос на топлина чрез движение на масата на флуид) и ударни вълни в стопилката, така че дендритите се фрагментират. Конвекцията може да подпомогне фрагментацията на дендритите поради екстремни локални температури и вариации в състава и подпомага дифузията на разтвореното вещество. Кавитационните ударни вълни подпомагат разрушаването на тези топящи се основи.
Ултразвуково дегазиране на метални сплави
Дегазирането е друг важен ефект на мощния ултразвук върху течни и полутвърди метали и сплави. Акустичната кавитация създава редуващи се цикли на ниско налягане / високо налягане. По време на циклите на ниско налягане в течността или суспензията се появяват миниатюрни вакуумни мехурчета. Тези вакуумни мехурчета служат като зародиши за образуване на водородни мехурчета и мехурчета от пари. Поради образуването на по-големи водородни мехурчета газовите мехурчета се издигат. Акустичният поток и акустичните течения подпомагат изплуването на тези мехурчета до повърхността и излизането им от стопилката, така че газът може да бъде отстранен и концентрацията на газ в стопилката се намалява.
Ултразвуковото дегазиране намалява порьозността на метала, като по този начин се постига по-висока плътност на материала в крайния продукт от метал / сплав.
Ултразвуковото дегазиране на алуминиеви сплави повишава якостта на опън и пластичността на материала. Промишлените системи с мощен ултразвук се считат за най-добрите сред другите промишлено предлагани методи за дегазиране по отношение на ефективността и времето за обработка. Освен това процесът на запълване на леярската форма се подобрява поради по-ниския вискозитет на стопилката.
Свойства при натиск на Ti44Al6Nb1Cr2V при различна продължителност на ултразвуковата обработка. Ултразвуковата обработка значително подобрява якостта на натиск.
(изследване и графика: ©Ruirun et al., 2017)
Керамичният сонотрод BS4D22L3C е специален сонотрод, подходящ за ултразвукова обработка на високотемпературни течности, като разтопен алуминий (напр. за смесване и дегазиране).
Сонокапилярен ефект при филтрация
Ултразвуковият капилярен ефект в течни метали е движещият механизъм за отстраняване на оксидни включвания при филтрация на стопилки с помощта на ултразвук. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
Филтрацията се използва за отстраняване на неметални примеси от стопилката. По време на филтрацията стопилката преминава през различни мрежи (напр. от стъклени влакна), за да се отделят нежеланите включвания. Колкото по-малък е размерът на отворите на мрежата, толкова по-добър е резултатът от филтрацията.
При обичайни условия стопилката не може да премине през двуслоен филтър с много малък размер на порите от 0,4–0,4mm. При филтрация с помощта на ултразвук обаче стопилката може да премине през порите на мрежата благодарение на сонокапилярния ефект. В този случай капилярите на филтъра задържат дори неметални примеси с размер 1–10μm. Поради повишената чистота на сплавта се избягва образуването на водородни пори при оксидите, така че якостта на умора на сплавта се повишава.
Eskin et al. (2014: 120ff.) показват, че ултразвуковата филтрация позволява пречистване на алуминиевите сплави AA2024, AA7055 и AA7075 чрез многослойни филтри от стъклени влакна (с до 9 слоя) с отвори на мрежата 0,6×0,6mm. Когато процесът на ултразвукова филтрация се комбинира с добавяне на инокуланти, едновременно се постига и издребняване на зърната.
Ултразвуково армиране на метални сплави
Доказано е, че ултразвуковата обработка е високоефективна за равномерно диспергиране на наночастици в суспензии. Поради това ултразвуковите диспергатори са най-разпространеното оборудване за производство на композити, армирани с наночастици.
Наночастици (напр. Al2O3/SiC, CNTs) се използват като армиращ материал. Наночастиците се добавят към разтопената сплав и се диспергират с ултразвук. Акустичната кавитация и акустичните течения подобряват деагломерацията и омокряемостта на частиците, което води до подобрени якост на опън, граница на провлачване и удължение.
Ултразвуково оборудване за приложения при тежки условия
Прилагането на мощен ултразвук в металургията изисква здрави и надеждни ултразвукови системи, които могат да бъдат инсталирани в среди с тежки условия. Hielscher Ultrasonics доставя ултразвуково оборудване от промишлен клас за инсталиране в приложения при тежки условия и неблагоприятни среди. Всички наши ултразвукови апарати са проектирани за работа 24/7. Ултразвуковите системи с висока мощност на Hielscher съчетават здравина, надеждност и прецизна управляемост.
Взискателни процеси – като рафинирането на метални стопилки – изискват възможност за интензивна ултразвукова обработка. Промишлените ултразвукови процесори на Hielscher Ultrasonics осигуряват много високи амплитуди. Амплитуди до 200µm могат лесно да се поддържат непрекъснато при работа 24/7. За още по-високи амплитуди се предлагат ултразвукови сонотроди, изработени по поръчка.
За ултразвукова обработка на течности и стопилки при много високи температури Hielscher предлага различни сонотроди и принадлежности, изработени по поръчка, за осигуряване на оптимални резултати от обработката.
Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови апарати:
| Обем на партидата | Дебит | Препоръчителни устройства |
|---|---|---|
| 10 до 2000mL | 20 до 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 до 20L | 0,2 до 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 до 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | по-голям | група от UIP16000 |
Свържете се с нас! / Попитайте ни!
Литература/Източници
- 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.
Полезни факти
Мощен ултразвук и кавитация
Когато ултразвукови вълни с висок интензитет се предават в течности или суспензии, възниква явлението кавитация .
Ултразвукът с висока мощност и ниска честота предизвиква контролирано образуване на кавитационни мехурчета в течности и суспензии. Интензивните ултразвукови вълни генерират редуващи се цикли на ниско налягане / високо налягане в течността. Тези бързи промени в налягането създават кухини, т.нар. кавитационни мехурчета. Кавитационните мехурчета, предизвикани от ултразвук, могат да се разглеждат като химични микрореактори, осигуряващи високи температури и налягания в микроскопичен мащаб, където от разтворените молекули се образуват активни частици, като свободни радикали. В контекста на химията на материалите ултразвуковата кавитация има уникалния потенциал да катализира локално реакции при висока температура (до 5000 K) и високо налягане (500atm), докато в макроскопичен мащаб системата остава близо до стайна температура и налягането на околната среда. (срв. Skorb, Andreeva 2013)
Ултразвуковите обработки се основават главно на кавитационни ефекти. В металургията ултразвуковата обработка е техника с много предимства за подобряване на леенето на метали и сплави.
Освен за обработка на метални стопилки, ултразвуковата обработка се използва и за създаване на гъбоподобни наноструктури и нанорелефи върху твърди метални повърхности, като тези на титан и сплави. Тези наноструктурирани чрез ултразвук детайли от титан и сплави показват голям потенциал като импланти с повишена пролиферация на остеогенни клетки. Прочетете повече за ултразвуковото наноструктуриране на титанови импланти!