Εκλέπτυνση μεταλλικών τηγμάτων με υπερήχους
- Οι υπέρηχοι ισχύος παρουσιάζουν διάφορες ευεργετικές επιδράσεις στα τηγμένα μέταλλα και κράματα, όπως διαμόρφωση της δομής, απαέρωση και βελτιωμένη διήθηση.
- Η κατεργασία με υπερήχους προάγει τη μη δενδριτική στερεοποίηση σε υγρά και ημιστερεά μέταλλα.
- Η κατεργασία με υπερήχους προσφέρει σημαντικά οφέλη στην εκλέπτυνση της μικροδομής των δενδριτικών κόκκων και των πρωτογενών διαμεταλλικών σωματιδίων.
- Επιπλέον, οι υπέρηχοι ισχύος μπορούν να χρησιμοποιηθούν στοχευμένα για τη μείωση του πορώδους των μετάλλων ή για την παραγωγή μεσοπορωδών δομών.
- Τέλος, εξίσου σημαντικό είναι ότι οι υπέρηχοι ισχύος βελτιώνουν την ποιότητα των χυτών.
Στερεοποίηση μεταλλικών τηγμάτων με υπερήχους
Ο σχηματισμός μη δενδριτικών δομών κατά τη στερεοποίηση μεταλλικών τηγμάτων επηρεάζει ιδιότητες του υλικού όπως η αντοχή, η ολκιμότητα, η δυσθραυστότητα και/ή η σκληρότητα.
Πυρηνοποίηση κόκκων τροποποιημένη με υπερήχους: Η ακουστική σπηλαίωση και οι έντονες δυνάμεις διάτμησης που προκαλεί αυξάνουν τις θέσεις πυρηνοποίησης και τον αριθμό των πυρήνων στο τήγμα. Η κατεργασία των τηγμάτων με υπερήχους οδηγεί σε ετερογενή πυρηνοποίηση και κατακερματισμό των δενδριτών, με αποτέλεσμα το τελικό προϊόν να παρουσιάζει σημαντικά μεγαλύτερη εκλέπτυνση των κόκκων.
Η σπηλαίωση που προκαλείται από τους υπερήχους επιφέρει την ομοιόμορφη διαβροχή των μη μεταλλικών προσμείξεων στο τήγμα. Αυτές οι προσμείξεις μετατρέπονται σε θέσεις πυρηνοποίησης, οι οποίες αποτελούν τα σημεία έναρξης της στερεοποίησης. Επειδή αυτά τα σημεία πυρηνοποίησης βρίσκονται μπροστά από το μέτωπο στερεοποίησης, δεν αναπτύσσονται δενδριτικές δομές.
Μακροδομή κράματος Ti μετά από κατεργασία με υπερήχους. Η κατεργασία με υπερήχους οδηγεί σε σημαντικά λεπτόκοκκη δομή.
Η Δρ Andreeva-Bäumler, από το Πανεπιστήμιο του Bayreuth, εργάζεται με τη συσκευή υπερήχων UIP1000hdT στη διαμόρφωση νανοδομών σε μέταλλα.
Επιδράσεις των υπερήχων στη σκληρότητα Vickers κραμάτων: Η κατεργασία με υπερήχους βελτιώνει τη μικροσκληρότητα Vickers στο μέταλλο
(μελέτη και γραφική παράσταση: ©Ruirun et al., 2017)
Κατακερματισμός δενδριτών: Η τήξη των δενδριτών αρχίζει συνήθως στη ρίζα λόγω τοπικής αύξησης της θερμοκρασίας και απόμιξης. Η κατεργασία με υπερήχους δημιουργεί έντονη συναγωγή (μεταφορά θερμότητας μέσω μαζικής κίνησης ενός ρευστού) και κρουστικά κύματα στο τήγμα, με αποτέλεσμα τον κατακερματισμό των δενδριτών. Η συναγωγή μπορεί να προάγει τον κατακερματισμό των δενδριτών λόγω ακραίων τοπικών θερμοκρασιών καθώς και μεταβολών της σύστασης και προάγει τη διάχυση της διαλυμένης ουσίας. Τα κρουστικά κύματα της σπηλαίωσης διευκολύνουν τη θραύση αυτών των ριζών που τήκονται.
Απαέρωση μεταλλικών κραμάτων με υπερήχους
Η απαέρωση είναι μια ακόμη σημαντική επίδραση των υπερήχων ισχύος σε υγρά και ημιστερεά μέταλλα και κράματα. Η ακουστική σπηλαίωση δημιουργεί εναλλασσόμενους κύκλους χαμηλής πίεσης / υψηλής πίεσης. Κατά τους κύκλους χαμηλής πίεσης, εμφανίζονται μικροσκοπικές φυσαλίδες κενού στο υγρό ή στο αιώρημα. Αυτές οι φυσαλίδες κενού λειτουργούν ως πυρήνες για τον σχηματισμό φυσαλίδων υδρογόνου και ατμού. Λόγω του σχηματισμού μεγαλύτερων φυσαλίδων υδρογόνου, οι φυσαλίδες αερίου ανέρχονται. Η ακουστική ροή και τα ακουστικά ρεύματα διευκολύνουν την άνοδο αυτών των φυσαλίδων στην επιφάνεια και την έξοδό τους από το τήγμα, ώστε να μπορεί να απομακρυνθεί το αέριο και να μειωθεί η συγκέντρωση αερίου στο τήγμα.
Η απαέρωση με υπερήχους μειώνει το πορώδες του μετάλλου, επιτυγχάνοντας έτσι υψηλότερη πυκνότητα υλικού στο τελικό προϊόν μετάλλου / κράματος.
Η απαέρωση κραμάτων αλουμινίου με υπερήχους αυξάνει τη μέγιστη αντοχή σε εφελκυσμό και την ολκιμότητα του υλικού. Τα βιομηχανικά συστήματα υπερήχων ισχύος θεωρούνται τα καλύτερα σε σύγκριση με τις άλλες εμπορικές μεθόδους απαέρωσης ως προς την αποτελεσματικότητα και τον χρόνο επεξεργασίας. Επιπλέον, η διαδικασία πλήρωσης του καλουπιού βελτιώνεται λόγω του χαμηλότερου ιξώδους του τήγματος.
Ιδιότητες σε θλίψη του Ti44Al6Nb1Cr2V για διάφορους χρόνους κατεργασίας με υπερήχους. Η κατεργασία με υπερήχους βελτιώνει σημαντικά την αντοχή σε θλίψη.
(μελέτη και γραφική παράσταση: ©Ruirun et al., 2017)
Το κεραμικό ηχοτρόδιο BS4D22L3C είναι ένα ειδικό ηχοτρόδιο κατάλληλο για την κατεργασία με υπερήχους υγρών υψηλής θερμοκρασίας, όπως το τηγμένο αλουμίνιο (π.χ. για ανάμιξη και απαέρωση).
Ηχοτριχοειδές φαινόμενο κατά τη διήθηση
Το τριχοειδές φαινόμενο που προκαλείται από τους υπερήχους στα υγρά μέταλλα αποτελεί τον κινητήριο μηχανισμό για την απομάκρυνση εγκλεισμάτων οξειδίων κατά την υποβοηθούμενη από υπερήχους διήθηση των τηγμάτων. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
Η διήθηση χρησιμοποιείται για την απομάκρυνση μη μεταλλικών προσμείξεων από το τήγμα. Κατά τη διήθηση, το τήγμα διέρχεται από διάφορα πλέγματα (π.χ. υαλοϊνών) για τον διαχωρισμό ανεπιθύμητων εγκλεισμάτων. Όσο μικρότερο είναι το μέγεθος των ανοιγμάτων του πλέγματος, τόσο καλύτερο είναι το αποτέλεσμα της διήθησης.
Υπό συνήθεις συνθήκες, το τήγμα δεν μπορεί να διέλθει από φίλτρο δύο στρώσεων με πολύ μικρό μέγεθος πόρων 0,4–0,4mm. Ωστόσο, κατά την υποβοηθούμενη από υπερήχους διήθηση, το τήγμα μπορεί να διέλθει από τους πόρους του πλέγματος χάρη στο ηχοτριχοειδές φαινόμενο. Σε αυτή την περίπτωση, τα τριχοειδή του φίλτρου συγκρατούν ακόμη και μη μεταλλικές προσμείξεις μεγέθους 1–10μm. Λόγω της αυξημένης καθαρότητας του κράματος, αποφεύγεται ο σχηματισμός πόρων υδρογόνου στα οξείδια, με αποτέλεσμα να αυξάνεται η αντοχή του κράματος σε κόπωση.
Οι Eskin et al. (2014: 120ff.) έδειξαν ότι η διήθηση με υπερήχους καθιστά δυνατό τον καθαρισμό των κραμάτων αλουμινίου AA2024, AA7055 και AA7075 με τη χρήση πολυστρωματικών φίλτρων υαλοϊνών (με έως και 9 στρώσεις) με πόρους πλέγματος 0,6×0,6mm. Όταν η διαδικασία διήθησης με υπερήχους συνδυάζεται με την προσθήκη παραγόντων πυρηνοποίησης, επιτυγχάνεται ταυτόχρονα εκλέπτυνση των κόκκων.
Ενίσχυση μεταλλικών κραμάτων με υπερήχους
Η κατεργασία με υπερήχους έχει αποδειχθεί ιδιαίτερα αποτελεσματική στην ομοιόμορφη διασπορά νανοσωματιδίων σε αιωρήματα. Ως εκ τούτου, οι διασπορείς υπερήχων αποτελούν τον συνηθέστερο εξοπλισμό για την παραγωγή σύνθετων υλικών ενισχυμένων με νανοσωματίδια.
Τα νανοσωματίδια (π.χ. Al2O3/SiC, CNTs) χρησιμοποιούνται ως ενισχυτικό υλικό. Τα νανοσωματίδια προστίθενται στο τηγμένο κράμα και διασπείρονται με υπερήχους. Η ακουστική σπηλαίωση και τα ακουστικά ρεύματα βελτιώνουν την αποσυσσωμάτωση και τη διαβρεξιμότητα των σωματιδίων, με αποτέλεσμα τη βελτίωση της αντοχής σε εφελκυσμό, του ορίου διαρροής και της επιμήκυνσης.
Εξοπλισμός υπερήχων για εφαρμογές βαρέος τύπου
Η εφαρμογή υπερήχων ισχύος στη μεταλλουργία απαιτεί ανθεκτικά, αξιόπιστα συστήματα υπερήχων, τα οποία μπορούν να εγκατασταθούν σε απαιτητικά περιβάλλοντα. Η Hielscher Ultrasonics παρέχει εξοπλισμό υπερήχων βιομηχανικών προδιαγραφών για εγκαταστάσεις σε εφαρμογές βαρέος τύπου και αντίξοα περιβάλλοντα. Όλες οι συσκευές υπερήχων μας είναι κατασκευασμένες για λειτουργία 24/7. Τα συστήματα υπερήχων υψηλής ισχύος της Hielscher συνδυάζουν ανθεκτικότητα, αξιοπιστία και δυνατότητα ακριβούς ελέγχου.
Οι απαιτητικές διεργασίες – όπως η εκλέπτυνση μεταλλικών τηγμάτων – απαιτούν δυνατότητα έντονης κατεργασίας με υπερήχους. Οι βιομηχανικοί επεξεργαστές υπερήχων της Hielscher Ultrasonics παρέχουν πολύ υψηλά πλάτη ταλάντωσης. Πλάτη ταλάντωσης έως και 200µm μπορούν εύκολα να διατηρούνται συνεχώς σε λειτουργία 24/7. Για ακόμη υψηλότερα πλάτη ταλάντωσης, διατίθενται ειδικά προσαρμοσμένα ηχοτρόδια υπερήχων.
Για την κατεργασία με υπερήχους υγρών και τηγμάτων σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες, η Hielscher προσφέρει διάφορα ηχοτρόδια και ειδικά προσαρμοσμένα παρελκόμενα, ώστε να εξασφαλίζονται βέλτιστα αποτελέσματα επεξεργασίας.
Ο παρακάτω πίνακας παρέχει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση δυναμικότητας επεξεργασίας των συσκευών υπερήχων μας:
| Όγκος παρτίδας | Παροχή | Συνιστώμενες συσκευές |
|---|---|---|
| 10 έως 2000mL | 20 έως 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 έως 20L | 0,2 έως 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 έως 100L | 2 έως 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 έως 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | μεγαλύτερη | συστοιχία συσκευών UIP16000 |
Επικοινωνήστε μαζί μας! / Ρωτήστε μας!
Βιβλιογραφία/Αναφορές
- 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.
Χρήσιμες πληροφορίες
Υπέρηχοι ισχύος και σπηλαίωση
Όταν υπερηχητικά κύματα υψηλής έντασης μεταδίδονται σε υγρά ή αιωρήματα, το φαινόμενο της σπηλαίωσης εκδηλώνεται.
Οι υπέρηχοι υψηλής ισχύος και χαμηλής συχνότητας προκαλούν τον σχηματισμό φυσαλίδων σπηλαίωσης σε υγρά και αιωρήματα με ελεγχόμενο τρόπο. Τα έντονα υπερηχητικά κύματα δημιουργούν εναλλασσόμενους κύκλους χαμηλής πίεσης / υψηλής πίεσης στο υγρό. Αυτές οι ταχείες μεταβολές της πίεσης δημιουργούν κοιλότητες, τις λεγόμενες φυσαλίδες σπηλαίωσης. Οι φυσαλίδες σπηλαίωσης που προκαλούνται από υπερήχους μπορούν να θεωρηθούν χημικοί μικροαντιδραστήρες που παρέχουν υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις σε μικροσκοπική κλίμακα, όπου σχηματίζονται δραστικά είδη, όπως ελεύθερες ρίζες από διαλυμένα μόρια. Στο πλαίσιο της χημείας υλικών, η σπηλαίωση που προκαλείται από υπερήχους έχει τη μοναδική δυνατότητα να καταλύει τοπικά αντιδράσεις υψηλής θερμοκρασίας (έως και 5000 K) και υψηλής πίεσης (500atm), ενώ το σύστημα παραμένει μακροσκοπικά κοντά στη θερμοκρασία δωματίου και στην πίεση περιβάλλοντος. (πρβλ. Skorb, Andreeva 2013)
Οι κατεργασίες με υπερήχους βασίζονται κυρίως στις επιδράσεις της σπηλαίωσης. Για τη μεταλλουργία, η κατεργασία με υπερήχους είναι μια ιδιαίτερα επωφελής τεχνική για τη βελτίωση της χύτευσης μετάλλων και κραμάτων.
Εκτός από την επεξεργασία μεταλλικών τηγμάτων, η κατεργασία με υπερήχους χρησιμοποιείται επίσης για τη δημιουργία σπογγοειδών νανοδομών και νανομοτίβων σε στερεές μεταλλικές επιφάνειες, όπως το τιτάνιο και τα κράματα. Αυτά τα εξαρτήματα τιτανίου και κραμάτων, στα οποία έχουν διαμορφωθεί νανοδομές με υπερήχους, παρουσιάζουν μεγάλες δυνατότητες χρήσης ως εμφυτεύματα με ενισχυμένο πολλαπλασιασμό οστεογενών κυττάρων. Διαβάστε περισσότερα για τη διαμόρφωση νανοδομών σε εμφυτεύματα τιτανίου με υπερήχους!