Ultrazvukové zušlechťování kovových tavenin
- Výkonový ultrazvuk v roztavených kovech a slitinách vykazuje různé příznivé účinky, jako je strukturování, odplynění a zlepšená filtrace.
- Sonikace podporuje nedendritické tuhnutí v kapalných a polotuhých kovech.
- Sonikace má významné přínosy pro zjemnění mikrostruktury dendritických zrn a primárních intermetalických částic.
- Kromě toho lze výkonový ultrazvuk cíleně využít ke snížení pórovitosti kovu nebo k vytváření mezoporézních struktur.
- V neposlední řadě výkonový ultrazvuk zlepšuje kvalitu odlitků.
Ultrazvukové tuhnutí kovových tavenin
Tvorba nedendritických struktur během tuhnutí kovových tavenin ovlivňuje vlastnosti materiálu, jako je pevnost, tažnost, houževnatost a/nebo tvrdost.
Ultrazvukem ovlivněná nukleace zrn: Akustická kavitace a její intenzivní smykové síly zvyšují počet nukleačních míst a počet zárodků v tavenině. Ultrazvukové ošetření tavenin vede k heterogenní nukleaci a fragmentaci dendritů, takže konečný produkt vykazuje výrazně vyšší zjemnění zrna.
Ultrazvuková kavitace způsobuje rovnoměrné smáčení nekovových nečistot v tavenině. Tyto nečistoty se stávají nukleačními místy, která jsou výchozími body tuhnutí. Protože se tato nukleační místa nacházejí před čelem tuhnutí, k růstu dendritických struktur nedochází.
Makrostruktura slitiny Ti po ultrazvukovém ošetření. Sonikace vede k výrazně zjemněné struktuře zrna.
Dr. Andreeva-Bäumler, Univerzita v Bayreuthu, pracuje se sonikátorem UIP1000hdT na nanostrukturování kovů.
Vliv ultrazvuku na tvrdost slitiny podle Vickerse: Sonikace zlepšuje mikrotvrdost kovu podle Vickerse
(studie a graf: ©Ruirun et al., 2017)
Fragmentace dendritů: Tavení dendritů obvykle začíná u kořene v důsledku místního nárůstu teploty a segregace. Sonikace vytváří v tavenině silnou konvekci (přenos tepla hmotným pohybem tekutiny) a rázové vlny, takže dochází k fragmentaci dendritů. Konvekce může podporovat fragmentaci dendritů v důsledku extrémních místních teplot i kolísání složení a podporuje difuzi rozpuštěné látky. Kavitační rázové vlny napomáhají odlamování těchto natavených kořenů.
Ultrazvukové odplynění kovových slitin
Odplynění je dalším důležitým účinkem výkonového ultrazvuku na kapalné a polotuhé kovy a slitiny. Akustická kavitace vytváří střídavé cykly nízkého tlaku / vysokého tlaku. Během cyklů nízkého tlaku vznikají v kapalině nebo kaši drobné vakuové bubliny. Tyto vakuové bubliny působí jako zárodky pro tvorbu vodíkových bublin a bublin páry. V důsledku tvorby větších vodíkových bublin plynové bubliny stoupají. Akustické proudění a strhávání napomáhají vyplouvání těchto bublin k hladině a ven z taveniny, takže plyn lze odstranit a koncentrace plynu v tavenině se sníží.
Ultrazvukové odplynění snižuje pórovitost kovu, čímž se dosahuje vyšší hustoty materiálu v konečném výrobku z kovu / slitiny.
Ultrazvukové odplynění hliníkových slitin zvyšuje mez pevnosti v tahu a tažnost materiálu. Průmyslové systémy výkonového ultrazvuku jsou z hlediska účinnosti a doby zpracování považovány za nejlepší mezi ostatními komerčními metodami odplynění. Navíc se díky nižší viskozitě taveniny zlepšuje proces plnění formy.
Tlakové vlastnosti Ti44Al6Nb1Cr2V při různých dobách sonikace. Sonikace výrazně zlepšuje pevnost v tlaku.
(studie a graf: ©Ruirun et al., 2017)
Keramická sonotroda BS4D22L3C je speciální sonotroda vhodná k sonikaci vysokoteplotních kapalin, jako je roztavený hliník (např. pro míchání a odplynění).
Sonokapilární efekt při filtraci
Ultrazvukový kapilární efekt v kapalných kovech je hnacím účinkem při odstraňování oxidických vměstků během ultrazvukem podporované filtrace tavenin. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
Filtrace se používá k odstranění nekovových nečistot z taveniny. Během filtrace prochází tavenina různými sítěmi (např. ze skelných vláken), aby se oddělily nežádoucí vměstky. Čím menší je velikost ok, tím lepší je výsledek filtrace.
Za běžných podmínek nemůže tavenina projít dvouvrstvým filtrem s velmi malou velikostí pórů 0,4–0,4mm. Při ultrazvukem podporované filtraci však tavenina může díky sonokapilárnímu efektu projít póry síta. V tomto případě kapiláry filtru zachytí i nekovové nečistoty o velikosti 1–10μm. Díky zvýšené čistotě slitiny se zabrání tvorbě vodíkových pórů na oxidech, takže se zvyšuje mez únavy slitiny.
Eskin et al. (2014: 120ff.) prokázali, že ultrazvuková filtrace umožňuje čistit hliníkové slitiny AA2024, AA7055 a AA7075 pomocí vícevrstvých filtrů ze skelných vláken (s až 9 vrstvami) s póry síta 0,6×0,6mm. Pokud se proces ultrazvukové filtrace zkombinuje s přidáním očkovadel, dosáhne se současně zjemnění zrna.
Ultrazvukové vyztužování kovových slitin
Je prokázáno, že sonikace je vysoce účinná při rovnoměrném dispergování nanočástic v kaších. Proto jsou ultrazvukové dispergátory nejběžnějším zařízením pro výrobu kompozitů vyztužených nanočásticemi.
Nanočástice (např. Al2O3/SiC, CNTs) se používají jako výztužný materiál. Nanočástice se přidávají do roztavené slitiny a dispergují se ultrazvukem. Akustická kavitace a proudění zlepšují deaglomeraci a smáčivost částic, což vede ke zlepšení pevnosti v tahu, meze kluzu a prodloužení.
Ultrazvuková zařízení pro náročné aplikace
Použití výkonového ultrazvuku v metalurgii vyžaduje robustní a spolehlivé ultrazvukové systémy, které lze instalovat v náročných prostředích. Hielscher Ultrasonics dodává ultrazvuková zařízení průmyslové kvality pro instalace v náročných aplikacích a drsných prostředích. Všechny naše sonikátory jsou konstruovány pro provoz 24/7. Vysoce výkonné ultrazvukové systémy Hielscher spojují robustnost, spolehlivost a přesnou ovladatelnost.
Náročné procesy – jako je zušlechťování kovových tavenin – vyžadují schopnost intenzivní sonikace. Průmyslové ultrazvukové procesory Hielscher Ultrasonics dosahují velmi vysokých amplitud. Amplitudy až 200µm lze snadno udržovat v nepřetržitém provozu 24/7. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici zakázkové ultrazvukové sonotrody.
Pro sonikaci kapalin a tavenin o velmi vysokých teplotách nabízí Hielscher různé sonotrody a zakázkové příslušenství, které zajišťují optimální výsledky zpracování.
Níže uvedená tabulka vám poskytne orientační přehled o přibližné zpracovatelské kapacitě našich sonikátorů:
| Objem dávky | Průtok | Doporučená zařízení |
|---|---|---|
| 10 až 2000mL | 20 až 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 až 20L | 0,2 až 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100L | 2 až 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 až 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | větší | klastr UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Zeptejte se nás!
Literatura/Reference
- 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.
Fakta, která stojí za to znát
Výkonový ultrazvuk a kavitace
Když jsou do kapalin nebo kaší přenášeny vysoce intenzivní ultrazvukové vlny, nastává kavitace jako fyzikální jev.
Vysoce výkonný nízkofrekvenční ultrazvuk řízeným způsobem vyvolává tvorbu kavitačních bublin v kapalinách a kaších. Intenzivní ultrazvukové vlny vytvářejí v kapalině střídavé cykly nízkého tlaku / vysokého tlaku. Tyto rychlé změny tlaku vytvářejí dutiny, tzv. kavitační bubliny. Ultrazvukem vyvolané kavitační bubliny lze považovat za chemické mikroreaktory poskytující vysoké teploty a tlaky v mikroskopickém měřítku, kde z rozpuštěných molekul vznikají aktivní částice, jako jsou volné radikály. V kontextu materiálové chemie má ultrazvuková kavitace jedinečný potenciál lokálně katalyzovat vysokoteplotní (až 5000 K) a vysokotlaké (500atm) reakce, zatímco systém makroskopicky zůstává blízko pokojové teploty a okolního tlaku. (srov. Skorb, Andreeva 2013)
Ultrazvukové ošetření je založeno především na kavitačních účincích. V metalurgii je sonikace vysoce výhodnou technikou ke zlepšení odlévání kovů a slitin.
Kromě ošetření kovových tavenin se sonikace používá také k vytváření houbovitých nanostruktur a nanovzorů na povrchu pevných kovů, jako je titan a slitiny. Tyto ultrazvukem nanostrukturované díly z titanu a slitin vykazují velký potenciál jako implantáty se zvýšenou proliferací osteogenních buněk. Přečtěte si více o ultrazvukovém nanostrukturování titanových implantátů!