Ultralydsforfining af metalsmelter
- Effektultralyd i smeltede metaller og legeringer har forskellige gavnlige virkninger såsom strukturering, afgasning og forbedret filtrering.
- Sonikering fremmer ikke-dendritisk størkning i flydende og halvfaste metaller.
- Sonikering har betydelige fordele ved den mikrostrukturelle forfining af dendritiske korn og primære intermetalliske partikler.
- Desuden kan effektultralyd anvendes målrettet til at reducere metallets porøsitet eller fremstille mesoporøse strukturer.
- Sidst, men ikke mindst, forbedrer effektultralyd kvaliteten af støbegods.
Størkning af metalsmelter ved hjælp af ultralyd
Dannelsen af ikke-dendritiske strukturer under størkning af metalsmelter påvirker materialeegenskaber såsom styrke, duktilitet, sejhed og/eller hårdhed.
Korndannelse ændret ved hjælp af ultralyd: Akustisk kavitation og dens intense forskydningskræfter øger antallet af kimdannelsessteder og kim i smelten. Ultralydsbehandling af smelter resulterer i heterogen kimdannelse og fragmentering af dendritter, så slutproduktet udviser en betydeligt større kornforfining.
Ultralydskavitation medfører ensartet befugtning af ikke-metalliske urenheder i smelten. Disse urenheder bliver til kimdannelsessteder, som er udgangspunkterne for størkningen. Da disse kimdannelsessteder ligger foran størkningsfronten, forekommer der ingen vækst af dendritiske strukturer.
Makrostruktur af Ti-legering efter ultralydsbehandling. Sonikering resulterer i en betydeligt forfinet kornstruktur.
Dr. Andreeva-Bäumler fra universitetet i Bayreuth arbejder med ultralydsapparatet UIP1000hdT på nanostrukturering af metaller.
Ultralydens virkninger på legeringers Vickers-hårdhed: Sonikering forbedrer Vickers-mikrohårdheden i metal
(undersøgelse og grafik: ©Ruirun et al., 2017)
Fragmentering af dendritter: Smeltningen af dendritter begynder normalt ved roden på grund af lokal temperaturstigning og segring. Sonikering genererer kraftig konvektion (varmeoverførsel ved en fluids massebevægelse) og chokbølger i smelten, så dendritterne fragmenteres. Konvektion kan fremme fragmentering af dendritter på grund af ekstreme lokale temperaturer samt variationer i sammensætningen og fremmer diffusion af opløste stoffer. Kavitationens chokbølger hjælper med at bryde disse smeltende rødder.
Ultralydsafgasning af metalliske legeringer
Afgasning er en anden vigtig virkning af effektultralyd på flydende og halvfaste metaller og legeringer. Den akustiske kavitation skaber skiftende lavtryks- / højtrykscyklusser. Under lavtrykscyklusserne opstår der bittesmå vakuumbobler i væsken eller suspensionen. Disse vakuumbobler fungerer som kim for dannelsen af hydrogen- og dampbobler. Som følge af dannelsen af større hydrogenbobler stiger gasboblerne op. Akustisk strømning og strømningsbevægelse hjælper disse bobler med at stige op til overfladen og ud af smelten, så gassen kan fjernes, og gaskoncentrationen i smelten reduceres.
Ultralydsafgasning reducerer metallets porøsitet og opnår derved en højere materialedensitet i det endelige metal- / legeringsprodukt.
Ultralydsafgasning af aluminiumlegeringer øger materialets trækstyrke og duktilitet. Industrielle effektultralydssystemer regnes for de bedste blandt andre kommercielle afgasningsmetoder med hensyn til effektivitet og behandlingstid. Desuden forbedres formfyldningsprocessen på grund af smeltens lavere viskositet.
Trykegenskaber for Ti44Al6Nb1Cr2V ved forskellige sonikeringstider. Sonikering forbedrer trykstyrken betydeligt.
(undersøgelse og grafik: ©Ruirun et al., 2017)
Den keramiske sonotrode BS4D22L3C er en særlig sonotrode, der er egnet til sonikering af væsker ved høje temperaturer såsom smeltet aluminium (f.eks. til blanding og afgasning).
Sonokapillær effekt under filtrering
Den ultralydsinducerede kapillæreffekt i flydende metaller er den drivende effekt, der fjerner oxidindeslutninger under ultralydsassisteret filtrering af smelter. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
Filtrering anvendes til at fjerne ikke-metalliske urenheder fra smelten. Under filtreringen passerer smelten gennem forskellige net (f.eks. af glasfiber) for at udskille uønskede indeslutninger. Jo mindre maskestørrelsen er, desto bedre er filtreringsresultatet.
Under almindelige forhold kan smelten ikke passere gennem et filter med to lag og en meget lille porestørrelse på 0,4–0,4mm. Ved ultralydsassisteret filtrering kan smelten imidlertid passere gennem nettets porer på grund af den sonokapillære effekt. I dette tilfælde tilbageholder filterets kapillærer selv ikke-metalliske urenheder på 1–10μm. På grund af legeringens øgede renhed undgås dannelsen af hydrogenporer ved oxiderne, så legeringens udmattelsesstyrke øges.
Eskin et al. (2014: 120ff.) har vist, at ultralydsfiltrering gør det muligt at rense aluminiumlegeringerne AA2024, AA7055 og AA7075 ved hjælp af glasfiberfiltre med flere lag (med op til 9 lag) og netporer på 0,6×0,6mm. Når ultralydsfiltreringsprocessen kombineres med tilsætning af podemidler, opnås samtidig kornforfining.
Forstærkning af metallegeringer ved hjælp af ultralyd
Sonikering har vist sig at være yderst effektiv til at dispergere nanopartikler ensartet i suspensioner. Derfor er ultralydsdispergeringsapparater det mest almindelige udstyr til fremstilling af nanoforstærkede kompositter.
Nanopartikler (f.eks. Al2O3/SiC, CNTs) anvendes som forstærkningsmateriale. Nanopartiklerne tilsættes den smeltede legering og dispergeres ved hjælp af ultralyd. Den akustiske kavitation og strømningsbevægelsen forbedrer deagglomereringen og partiklernes befugtelighed, hvilket resulterer i forbedret trækstyrke, flydespænding og forlængelse.
Ultralydsudstyr til krævende anvendelser
Anvendelse af effektultralyd inden for metallurgi kræver robuste, pålidelige ultralydssystemer, som kan installeres i krævende miljøer. Hielscher Ultrasonics leverer ultralydsudstyr i industriel kvalitet til installationer i krævende anvendelser og barske miljøer. Alle vores ultralydsapparater er bygget til 24/7-drift. Hielschers ultralydssystemer med høj effekt kombinerer robusthed, pålidelighed og præcis styrbarhed.
Krævende processer – såsom forfining af metalsmelter – kræver mulighed for intens sonikering. Hielscher Ultrasonics’ industrielle ultralydsprocessorer leverer meget høje amplituder. Amplituder på op til 200µm kan nemt opretholdes kontinuerligt i 24/7-drift. Til endnu højere amplituder fås specialtilpassede ultralydssonotroder.
Til sonikering af væsker og smelter ved meget høje temperaturer tilbyder Hielscher forskellige sonotroder og specialtilpasset tilbehør for at sikre optimale behandlingsresultater.
Tabellen nedenfor giver dig en indikation af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet:
| Batchvolumen | Volumenstrøm | Anbefalede apparater |
|---|---|---|
| 10 til 2000mL | 20 til 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 til 20L | 0,2 til 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 til 100L | 2 til 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 til 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | større | klynge af UIP16000 |
Kontakt os! / Spørg os!
Litteratur/Referencer
- 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.
Værd at vide
Effektultralyd og kavitation
Når højintensive ultralydsbølger kobles ind i væsker eller suspensioner, opstår fænomenet kavitation .
Ultralyd med høj effekt og lav frekvens medfører dannelse af kavitationsbobler i væsker og suspensioner på en kontrolleret måde. Intense ultralydsbølger genererer skiftende lavtryks- / højtrykscyklusser i væsken. Disse hurtige trykændringer genererer hulrum, de såkaldte kavitationsbobler. Ultralydsinducerede kavitationsbobler kan betragtes som kemiske mikroreaktorer, der giver høje temperaturer og tryk på mikroskopisk skala, hvor aktive kemiske arter såsom frie radikaler dannes fra opløste molekyler. Inden for materialekemi har ultralydskavitation det unikke potentiale til lokalt at katalysere reaktioner ved høje temperaturer (op til 5000 K) og høje tryk (500atm), mens systemet makroskopisk forbliver tæt på stuetemperatur og omgivelsestryk. (jf. Skorb, Andreeva 2013)
Ultralydsbehandlinger er hovedsageligt baseret på kavitationseffekter. Inden for metallurgi er sonikering en yderst fordelagtig teknik til at forbedre støbning af metaller og legeringer.
Ud over behandling af metalsmelter anvendes sonikering også til at skabe svampelignende nanostrukturer og nanomønstre på faste metaloverflader såsom titan og legeringer. Disse titan- og legeringsdele, som er nanostruktureret ved hjælp af ultralyd, har stort potentiale som implantater med øget osteogen celleproliferation. Læs mere om nanostrukturering af titanimplantater ved hjælp af ultralyd!