Ultrazvuková rafinace kovových tavenin
- Výkonový ultrazvuk v roztavených kovech a slitinách vykazuje různé příznivé účinky, jako je strukturování, odplyňování a zlepšená filtrace.
- Ultrazvuku podporuje nedendritické tuhnutí v kapalných a polotuhých kovech.
- Sonikace má významné výhody pro mikrostrukturální rafinaci dendritických zrn a primárních intermetalických částic.
- Kromě toho lze výkonový ultrazvuk cíleně použít ke snížení pórovitosti kovu nebo k výrobě 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 změněná nukleace zrna: Akustická kavitace a její intenzivní smykové síly zvyšují počet nukleačních míst a jader v tavenině. Ultrazvuková úprava tavenin má za následek 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 mění v nukleační místa, která jsou výchozími body tuhnutí. Vzhledem k tomu, že tyto nukleační body jsou před frontou tuhnutí, nedochází k růstu dendritických struktur.
Makrostruktura slitiny Ti po ultrazvukovém zpracování. Ultrazvuku má za následek výrazně rafinovanou strukturu zrna.
Dr. Andreeva-Bäumler, Univerzita v Bayreuthu, pracuje s ultrazvukovým přístrojem UIP1000hdT na nanostrukturování kovů.
Ultrazvukové účinky na tvrdost slitiny Vicker: Ultrazvuku zlepšuje mikrotvrdost Vickers v kovu
(studie a grafika: ©Ruirun et al., 2017)
Fragmentace dendritů: Tavení dendritů obvykle začíná u kořene v důsledku místního nárůstu teploty a segregace. Sonikace generuje silnou konvekci (přenos tepla hromadným pohybem tekutiny) a rázové vlny v tavenině, takže dendrity jsou fragmentovány. Konvekce může podporovat fragmentaci dendritů v důsledku extrémních místních teplot i variací složení a podporuje difúzi rozpuštěné látky. Kavitační rázové vlny napomáhají rozbití těchto tavících se kořenů.
Ultrazvukové odplyňování kovových slitin
Odplyňování je dalším důležitým vlivem výkonového ultrazvuku na kapalné a polotuhé kovy a slitiny. Akustická kavitace vytváří střídavé nízkotlaké / vysokotlaké cykly. Během nízkotlakých cyklů se v kapalině nebo suspenzi vyskytují drobné vakuové bublinky. Tyto vakuové bubliny působí jako jádra pro tvorbu vodíkových a parních bublin. V důsledku tvorby větších vodíkových bublin bubliny plynu stoupají. Akustické proudění a proudění napomáhá vynášení těchto bublin na povrch a ven z taveniny, takže plyn může být odstraněn a koncentrace plynu v tavenině je snížena.
Ultrazvukové odplyňování snižuje pórovitost kovu, čímž se dosahuje vyšší hustoty materiálu v konečném produktu z kovu / slitiny.
Ultrazvukové odplyňování hliníkových slitin zvyšuje konečnou pevnost v tahu a tažnost materiálu. Průmyslové výkonové ultrazvukové systémy se považují za nejlepší mezi ostatními komerčními odplyňovacími metodami, pokud jde o účinnost a dobu zpracování. Kromě toho se zlepšuje proces plnění formy díky nižší viskozitě taveniny.
Kompresní vlastnosti Ti44Al6Nb1Cr2V za různých časů sonikace. Sonikace výrazně zlepšuje pevnost v tlaku.
(studie a grafika: ©Ruirun et al., 2017)
Keramická sonotroda BS4D22L3C je speciální sonotroda vhodná pro sonikaci vysokoteplotních kapalin, jako je roztavený hliník (např. Pro míchání a odplyňování).
Sonokapilární efekt během filtrace
Ultrazvukový kapilární efekt v tekutých kovech je hnacím účinkem k odstranění oxidových inkluzí během ultrazvukem asistované filtrace tavenin. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
Filtrace se používá k odstranění nekovových nečistot z taveniny. Během filtrace tavenina prochází různými oky (např. skleněnými vlákny), 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 úzkou velikostí pórů 0,4-0,4 mm. Při ultrazvukem asistované filtraci je však tavenině umožněno procházet sítovými póry díky sonokapilárnímu efektu. V tomto případě filtrační kapiláry zadrží i nekovové nečistoty o velikosti 1–10 μm. Díky zvýšené čistotě slitiny je zabráněno tvorbě vodíkových pórů na oxidech, takže se zvyšuje únavová pevnost slitiny.
Eskin et al. (2014: 120ff.) prokázali, že ultrazvuková filtrace umožňuje čistit slitiny hliníku AA2024, AA7055 a AA7075 pomocí vícevrstvých filtrů ze skleněných vláken (až s 9 vrstvami) s 0,6×0Síťové póry .6 mm. Když se proces ultrazvukové filtrace kombinuje s přídavkem inokulantů, je dosaženo současného zjemnění zrna.
Ultrazvuková výztuž kovových slitin
Je prokázáno, že ultrazvuku je vysoce účinný při rovnoměrné dispergaci nanočástic do suspenzí. Proto jsou ultrazvukové dispergátory nejběžnějším zařízením pro výrobu nanovyztužených kompozitů.
Nanočástice (např. Al2O3/SiC, CNT) se používají jako výztužný materiál. Nanočástice se přidají do roztavené slitiny a dispergují se ultrazvukem. Akustická kavitace a proudění zlepšuje deaglomeraci a smáčivost částic, což má za následek zlepšenou pevnost v tahu, mez kluzu a prodloužení.
Ultrazvuková zařízení pro náročné aplikace
Aplikace výkonového ultrazvuku v metalurgii vyžaduje robustní a spolehlivé ultrazvukové systémy, které lze instalovat v náročných prostředích. Hielscher Ultrasonics dodává průmyslová ultrazvuková zařízení pro instalace v těžkých aplikacích a drsném prostředí. Všechny naše ultrasonicators jsou vyrobeny pro provoz 24/7. Hielscher vysoce výkonné ultrazvukové systémy jsou spojeny s robustností, spolehlivostí a přesnou ovladatelností.
Náročné procesy – jako je rafinace kovových tavenin – vyžadují schopnost intenzivní sonikace. Hielscher Ultrazvukové průmyslové ultrazvukové procesory poskytují velmi vysoké amplitudy. Amplitudy až 200 μm lze snadno nepřetržitě provozovat v provozu 24/7. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici přizpůsobené ultrazvukové sonotrody.
Pro sonikaci velmi vysokých teplot kapalin a taveniny nabízí Hielscher různé sonotrody a přizpůsobené příslušenství pro zajištění optimálních výsledků zpracování.
Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators:
| Objem dávky | Průtok | Doporučená zařízení |
|---|---|---|
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20L | 0.2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000 |
| Není k dispozici | 10 až 100 l / min | UIP16000 |
| Není k dispozici | větší | shluk UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Zeptejte se nás!
Literatura/Odkazy
- 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 vědět
Výkonový ultrazvuk a kavitace
Když jsou ultrazvukové vlny s vysokou intenzitou spojeny do kapalin nebo kalů, dochází k jevu kavitace nastane.
Ultrazvuk s vysokým výkonem, nízkou frekvencí způsobuje kontrolovanou tvorbu kavitačních bublin v kapalinách a kalech. Intenzivní ultrazvukové vlny generují v kapalině střídavé cykly nízkého tlaku a vysokého tlaku. Tyto rychlé změny tlaku vytvářejí dutiny, takzvané kavitační bubliny. Ultrazvukem indukované kavitační bubliny lze považovat za chemické mikroreaktory poskytující vysoké teploty a tlaky v mikroskopickém měřítku, kde dochází k tvorbě aktivních látek, jako jsou volné radikály z rozpuštěných molekul. V souvislosti s chemií materiálů má ultrazvuková kavitace jedinečný potenciál lokálně katalyzovat vysokoteplotní (až 5000 K) a vysokotlaké (500 atm) reakce, zatímco systém zůstává makroskopicky blízko pokojové teploty a okolního tlaku. (srov. Skorb, Andreeva 2013)
Ultrazvuková léčba je založena především na kavitačních účincích. Pro metalurgii je sonikace velmi výhodnou technikou pro zlepšení odlévání kovů a slitin.
Kromě zpracování kovových tavenin se sonikace používá také k vytváření houbovitých nanostruktur a nanovzorů na pevných kovových površích, jako je titan a slitiny. Tyto ultrazvukově nanostrukturované části titanu a slitiny vykazují velkou kapacitu jako implantáty se zvýšenou proliferací osteogenních buněk. Přečtěte si více o ultrazvukovém nanostrukturování titanových implantátů!