Ултразвуково усъвършенстване на метални стопилки
- Мощният ултразвук в разтопени метали и сплави показва различни благоприятни ефекти като структуриране, дегазация и подобрена филтрация.
- Ултразвукът насърчава недендритното втвърдяване в течни и полутвърди метали.
- Соникацията има значителни ползи за микроструктурното усъвършенстване на дендритните зърна и първичните интерметални частици.
- Освен това мощният ултразвук може да се използва целенасочено за намаляване на порьозността на метала или за производство на мезопорести структури.
- Не на последно място, мощният ултразвук подобрява качеството на отливките.
Ултразвуково втвърдяване на метални стопилки
Образуването на недендритни структури по време на втвърдяване на метални стопилки влияе върху свойствата на материала като здравина, пластичност, издръжливост и/или твърдост.
Ултразвуково променено нуклеиране на зърното: Акустичната кавитация и нейните интензивни сили на срязване увеличават местата на нуклеация и броя на ядрата в стопилката. Ултразвуковата обработка на стопилките води до хетерогенно зародяване и фрагментиране на дендритите, така че крайният продукт показва значително по-висока рафинация на зърната.
Ултразвуковата кавитация причинява равномерно намокряне на неметални примеси в стопилката. Тези примеси се превръщат в места на нуклеация, които са отправните точки на втвърдяването. Тъй като тези точки на нуклеация са пред фронта на втвърдяване, растежът на дендритните структури не се случва.
Макроструктура на сплавта Ti след ултразвукова обработка. Ултразвукът води до значително усъвършенствана структура на зърното.
Д-р Андреева-Боймлер от Университета в Байройт работи с ултразвуковия уред UIP1000hdT върху наноструктурирането на метали.
Ултразвукови ефекти върху твърдостта по сплав Vicker: Ултразвукът подобрява микротвърдостта на Vickers в метала
(проучване и графика: ©Ruirun et al., 2017)
Фрагментация на дендритите: Топенето на дендритите обикновено започва в корена поради местното повишаване на температурата и сегрегация. Соникацията генерира силна конвекция (пренос на топлина чрез масово движение на флуид) и ударни вълни в стопилката, така че дендритите са фрагментирани. Конвекцията може да насърчи фрагментацията на дендритите поради екстремни локални температури, както и вариации в състава и насърчава дифузията на разтвореното вещество. Кавитационните ударни вълни подпомагат счупването на тези топящи се корени.
Ултразвукова дегазация на метални сплави
Дегазацията е друг важен ефект на силовия ултразвук върху течни и полутвърди метали и сплави. Акустичната кавитация създава редуващи се цикли на ниско / високо налягане. По време на циклите с ниско налягане в течността или суспензията се появяват малки вакуумни мехурчета. Тези вакуумни мехурчета действат като ядра за образуването на водородни и парни мехурчета. Поради образуването на по-големи водородни мехурчета, газовите мехурчета се издигат. Акустичният поток и потокът подпомагат изплуването на тези мехурчета на повърхността и извън стопилката, така че газът да може да бъде отстранен и концентрацията на газ в стопилката да бъде намалена.
Ултразвуковата дегазация намалява порьозността на метала, като по този начин се постига по-висока плътност на материала в крайния продукт от метал / сплав.
Ултразвуковата дегазация на алуминиевите сплави повишава крайната якост на опън и пластичност на материала. Индустриалните силови ултразвукови системи се считат за най-добрите сред другите търговски методи за дегазация по отношение на ефективността и времето за обработка. Освен това процесът на пълнене на матрицата се подобрява поради по-ниския вискозитет на стопилката.
Свойства на натиск на Ti44Al6Nb1Cr2V при различни времена на ултразвук. Сонирането подобрява значително якостта на натиск.
(проучване и графика: ©Ruirun et al., 2017)
Керамичната сонотродна BS4D22L3C е специален сонотрод, подходящ за ултразвук на високотемпературни течности като разтопен алуминий (напр. за смесване и дегазиране).
Сонокапилярен ефект по време на филтрация
Ултразвуковият капилярен ефект в течните метали е движещият ефект за отстраняване на оксидните включвания по време на ултразвуково подпомаганата филтрация на стопилки. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
Филтрацията се използва за отстраняване на неметални примеси от стопилката. По време на филтрирането стопилката преминава през различни мрежи (напр. стъклени влакна), за да отдели нежеланите включвания. Колкото по-малък е размерът на окото, толкова по-добър е резултатът от филтрирането.
При общи условия стопилката не може да премине през двуслоен филтър с много тесен размер на порите 0,4-0,4 мм. Въпреки това, при ултразвукова филтрация стопилката може да премине през мрежестите пори поради сонокапилярния ефект. В този случай филтърните капиляри задържат дори неметални примеси от 1–10 μm. Поради повишената чистота на сплавта се избягва образуването на водородни пори при оксидите, така че якостта на умора на сплавта се увеличава.
Eskin et al. (2014: 120ff.) показа, че ултразвуковата филтрация дава възможност за пречистване на алуминиевите сплави AA2024, AA7055 и AA7075 с помощта на многослойни филтри от стъклени влакна (с до 9 слоя) с 0,6×0.6 мм мрежести пори. Когато процесът на ултразвукова филтрация се комбинира с добавяне на инокуланти, се постига едновременно рафиниране на зърното.
Ултразвукова армировка на метални сплави
Доказано е, че ултразвукът е много ефективен за равномерно диспергиране на наночастици в суспензии. Следователно ултразвуковите диспергатори са най-често срещаното оборудване за производство на наноподсилени композити.
Наночастици (напр. Al2O3/SiC, CNT) се използват като подсилващ материал. Наночастиците се добавят в разтопената сплав и се диспергират ултразвуково. Акустичната кавитация и потокът подобряват деагломерацията и омокряемостта на частиците, което води до подобрена якост на опън, граница на провлачване и удължение.
Ултразвуково оборудване за тежки приложения
Прилагането на мощен ултразвук в металургията изисква здрави, надеждни ултразвукови системи, които могат да бъдат инсталирани в взискателни среди. Hielscher Ultrasonics доставя промишлено ултразвуково оборудване за инсталации в тежки приложения и тежки условия. Всички наши ултразвукови уреди са създадени за работа 24/7. Високомощните ултразвукови системи на Hielscher са съчетани с здравина, надеждност и прецизна управляемост.
Взискателни процеси – като рафиниране на метални стопилки – изискват способността за интензивна ултразвук. Индустриалните ултразвукови процесори на Hielscher Ultrasonics осигуряват много високи амплитуди. Амплитуди до 200 μm могат лесно да работят непрекъснато в режим на работа 24/7. За още по-високи амплитуди се предлагат персонализирани ултразвукови сонотроди.
За ултразвук на много високи температури на течности и стопилки, Hielscher предлага различни сонотроди и персонализирани аксесоари, за да осигури оптимални резултати от обработката.
Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет на обработка на нашите ултразвукови апарати:
| Обем на партидата | Дебит | Препоръчителни устройства |
|---|---|---|
| 10 до 2000 мл | 20 до 400 мл/мин | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 до 20L | 0.2 до 4 л/мин | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10 л/мин | UIP4000 |
| Н.А. | 10 до 100 л/мин | UIP16000 |
| Н.А. | Голям | Клъстер от UIP16000 |
Свържете се с нас! / Попитайте ни!
Литература/Препратки
- 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.
Факти, които си струва да знаете
Мощен ултразвук и кавитация
Когато високоинтензивните ултразвукови вълни са свързани в течности или суспензии, явлението на Кавитация Възниква.
Високомощният нискочестотен ултразвук причинява образуването на кавитационни мехурчета в течности и суспензии по контролиран начин. Интензивните ултразвукови вълни генерират редуващи се цикли на ниско / високо налягане в течността. Тези бързи промени в налягането генерират кухини, така наречените кавитационни мехурчета. Ултразвуково индуцираните кавитационни мехурчета могат да се разглеждат като химически микрореактори, осигуряващи високи температури и налягания в микроскопичен мащаб, където се случва образуването на активни видове като свободни радикали от разтворени молекули. В контекста на химията на материалите, ултразвуковата кавитация има уникалния потенциал за локално катализиране на реакции с висока температура (до 5000 K) и високо налягане (500 атм), докато системата остава макроскопично близо до стайната температура и налягането на околната среда. (срв. Скорб, Андреева 2013)
Ултразвуковите лечения се основават главно на кавитационни ефекти. За металургията ултразвукът е много изгодна техника за подобряване на леенето на метали и сплави.
Освен обработката на метални стопилки, ултразвукът се използва и за създаване на гъба-подобни наноструктури и нано-шарки върху твърди метални повърхности като титан и сплави. Тези ултразвуково наноструктурирани части от титан и сплав показват голям капацитет като импланти с подобрена остеогенна клетъчна пролиферация. Прочетете повече за ултразвуковото наноструктуриране на титаниеви импланти!