Ultralydsforfining af metalsmelter
- Ultralyd i smeltede metaller og legeringer viser forskellige gavnlige effekter såsom strukturering, afgasning og forbedret filtrering.
- Ultralydbehandling fremmer den ikke-dendritiske størkning i flydende og halvfaste metaller.
- Sonikering har betydelige fordele ved mikrostrukturel forfining af dendritiske korn og primære intermetalliske partikler.
- Desuden kan power ultralyd bruges målrettet til at reducere metalporøsiteten eller til at producere meso-porøse strukturer.
- Sidst men ikke mindst forbedrer power ultralyd kvaliteten af støbegods.
Ultralydsstørkning af metalsmelter
Dannelsen af ikke-dendritiske strukturer under størkning af metalsmelter påvirker materialeegenskaberne såsom styrke, duktilitet, sejhed og/eller hårdhed.
Ultralydsændret kornkernedannelse: Akustisk kavitation og dens intense forskydningskræfter øger kimdannelsesstederne og antallet af kerner i smelten. Ultralydsbehandling af smelter resulterer i en heterogen kimdannelse og fragmentering af dendritter, så det endelige produkt viser en signifikant højere kornforfining.
Ultralydskavitation forårsager jævn befugtning af ikke-metalliske urenheder i smelten. Disse urenheder bliver til kimdannelsessteder, som er udgangspunkterne for størkning. Fordi disse kimdannelsespunkter er foran størkningsfronten, forekommer væksten af dendritiske strukturer ikke.
Makrostruktur af Ti-legering efter ultralydsbehandling. Ultralydbehandling resulterer i en betydeligt raffineret kornstruktur.
Dr. Andreeva-Bäumler, University of Bayreuth, arbejder med ultralydsapparatet UIP1000hdT på nano-strukturering af metaller.
Ultralydseffekter på legering Vicker hårdhed: Ultralydbehandling forbedrer Vickers mikrohårdhed i metal
Dendrit-fragmentering: Smeltningen af dendritter begynder normalt ved roden på grund af lokal temperaturstigning og adskillelse. Sonikering genererer stærk konvektion (varmeoverførsel ved massebevægelse af en væske) og chokbølger i smelten, så dendritterne fragmenteres. Konvektion kan fremme dendritfragmentering på grund af ekstreme lokale temperaturer samt sammensætningsvariationer og fremmer diffusion af opløst stof. Kavitationschokbølgerne hjælper med at bryde de smeltende rødder.
Ultralydsafgasning af metalliske legeringer
Afgasning er en anden vigtig effekt af ultralyd på flydende og halvfaste metaller og legeringer. Den akustiske kavitation skaber skiftende lavtryks-? højtrykscyklusser. Under lavtrykscyklusserne opstår der små vakuumbobler i væsken eller gyllen. Disse vakuumbobler fungerer som kerner til dannelse af brint- og dampbobler. På grund af dannelsen af større brintbobler stiger gasboblerne. Akustisk flow og streaming hjælper disse bobler med at flyde til overfladen og ud af smelten, så gassen kan fjernes, og gaskoncentrationen i smelten reduceres.
Ultralydsafgasning reducerer metallets porøsitet og derved opnår en højere materialetæthed i det endelige metal? legeringsprodukt.
Ultralydsafgasning af aluminiumslegeringer hæver materialets ultimative trækstyrke og duktilitet. Industrielle ultralydssystemer tæller som de bedste blandt andre kommercielle afgasningsmetoder med hensyn til effektivitet og behandlingstid. Desuden forbedres processen med formfyldning på grund af smeltens lavere viskositet.
Kompressionsegenskaber af Ti44Al6Nb1Cr2V under forskellige sonikeringstider. Sonikering forbedrer trykstyrken betydeligt.
Keramisk sonotrode BS4D22L3C er en speciel sonotrode, der er egnet til at sonikere væsker ved høj temperatur, såsom smeltet aluminium (f.eks. til blanding og afgasning).
Sonocapillær effekt under filtrering
Ultralydskapillæreffekten i flydende metaller er den drivende effekt til at fjerne oxidindeslutninger under ultralydassisteret filtrering af smelter. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
Filtrering bruges til at fjerne ikke-metalliske urenheder fra smelten. Under filtreringen passerer smelten forskellige masker (f.eks. glasfiber) for at adskille uønskede indeslutninger. Jo mindre maskestørrelsen er, jo bedre er filtreringsresultatet.
Under almindelige forhold kan smelten ikke passere et to-lags filter med en meget smal porestørrelse på 0,4-0,4 mm. Men under ultralydassisteret filtrering er smelten i stand til at passere mesh-porerne på grund af sonocapillæreffekten. I dette tilfælde bevarer filterkapillærerne selv ikke-metalliske urenheder på 1-10 μm. På grund af legeringens forbedrede renhed undgås dannelsen af brinsporer ved oxiderne, så legeringens træthedsstyrke øges.
Eskin et al. (2014: 120ff.) har vist, at ultralydsfiltrering gør det muligt at rense aluminiumslegeringerne AA2024, AA7055 og AA7075 ved hjælp af flerlags glasfiberfiltre (med op til 9 lag) med 0,6×0.6 mm mesh porer. Når ultralydsfiltreringsprocessen kombineres med tilsætning af inokulanter, opnås en samtidig kornforfining.
Ultralydsforstærkning af metallegeringer
Ultralydbehandling har vist sig at være yderst effektiv til at sprede nanopartikler ensartet i opslæmninger. Derfor er ultralydsdispergeringsmidler det mest almindelige udstyr til fremstilling af nanoforstærkede kompositter.
Nanopartikler (f.eks. Al2O3/SiC, CNT) bruges som forstærkningsmateriale. Nanopartiklerne tilsættes i den smeltede legering og dispergeres ultralyd. Den akustiske kavitation og streaming forbedrer deagglomerering og befugtbarhed af partiklerne, hvilket resulterer i en forbedret trækstyrke, flydespænding og forlængelse.
Ultralydsudstyr til tunge applikationer
Anvendelsen af ultralyd i metallurgi kræver robuste, pålidelige ultralydssystemer, som kan installeres i krævende miljøer. Hielscher Ultrasonics leverer ultralydsudstyr af industriel kvalitet til installationer i tunge applikationer og barske miljøer. Alle vores ultralydapparater er bygget til 24/7 drift. Hielscher ultralydssystemer med høj effekt er parret med robusthed, pålidelighed og præcis kontrollerbarhed.
Krævende processer – såsom raffinering af metalsmelter – kræver evnen til intens sonikering. Hielscher Ultrasonics industrielle ultralydsprocessorer leverer meget høje amplituder. Amplituder på op til 200 μm kan nemt køres kontinuerligt i 24/7 drift. For endnu højere amplituder er tilpassede ultralydssonotroder tilgængelige.
Til sonikering af meget høje væske- og smeltetemperaturer tilbyder Hielscher forskellige sonotroder og tilpassede tilbehør for at sikre optimale behandlingsresultater.
Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater:
| Batch volumen | Flowhastighed | Anbefalede enheder |
|---|---|---|
| 10 til 2000 ml | 20 til 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 til 20L | 0.2 til 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 til 100L | 2 til 10 l/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 til 100 l/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.
Fakta, der er værd at vide
Strøm ultralyd og kavitation
Når højintense ultralydsbølger kobles til væsker eller opslæmninger, er fænomenet Kavitation Opstår.
Højeffekt, lavfrekvent ultralyd forårsager dannelse af kavitationsbobler i væsker og gylle på en kontrolleret måde. Intense ultralydbølger genererer skiftevis lavtryk? 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 dannelsen af aktive arter såsom frie radikaler fra opløste molekyler forekommer. I forbindelse med materialekemi har ultralydskavitation det unikke potentiale til lokalt at katalysere højtemperatur- (op til 5000 K) og højtryksreaktioner (500atm), mens systemet forbliver makroskopisk nær stuetemperatur og omgivelsestryk. (jf. Skorb, Andreeva 2013)
Ultralydsbehandlinger er hovedsageligt baseret på kavitationseffekter. For metallurgi er sonikering en meget fordelagtig teknik til at forbedre støbningen af metaller og legeringer.
Udover behandling af metalsmelter bruges sonikering også til at skabe svampelignende nanostrukturer og nanomønstre på faste metaloverflader såsom titanium og legeringer. Disse ultralydsnanostrukturerede titanium- og legeringsdele viser stor kapacitet som implantater med forbedret osteogen celleproliferation. Læs mere om ultralyd nano-strukturering af titaniumimplantater!