Hielscher – Tecnología de Ultrasonidos

Procesamiento ultrasónico de derretidos de metal

  • ultrasonidos de potencia en metales fundidos y aleaciones muestra diversos efectos beneficiosos, tales como estructuración, desgasificación, y la mejora de la filtración.
  • Ultrasonic promueve la solidificación no dendríticas en metales líquidos y semi-sólidos.
  • El tratamiento con ultrasonidos tiene beneficios significativos en el refinamiento microestructural de granos dendríticas y partículas intermetálicas primarias.
  • Además, los ultrasonidos de potencia se puede utilizar a propósito para reducir la porosidad de metal o para producir estructuras de meso-poroso.
  • Por último, pero no menos importante, los ultrasonidos de potencia mejora la calidad de las piezas fundidas.

La solidificación de ultrasonidos

La formación de estructuras no dendríticas durante la solidificación del metal de derrite influye en las propiedades del material tales como la resistencia, ductilidad, tenacidad y / o dureza.
alterado por ultrasonidos nucleación de grano: cavitación acústica y sus fuerzas de cizallamiento intensas aumentan los sitios de nucleación y el número de núcleos en la masa fundida. El tratamiento ultrasónico (UST) de masas fundidas como resultado una nucleación heterogénea y la fragmentación de las dendritas, de manera que el producto final muestra un refinamiento de grano significativamente higer.
La cavitación ultrasónica provoca la humectación incluso de impurezas no metálicas en la masa fundida. Esas impurezas se convierten en sitios de nucleación, que son los puntos de partida de la solidificación. Debido a esos puntos de nucleación están por delante del frente de solidificación, no se produce el crecimiento de estructuras dendríticas.

procesamiento ultrasónico de masas fundidas de metal mejora la estructura de grano.

Macroestructura de aleación de Ti después del tratamiento ultrasónico (Ruirun et al. 2017)

Dendrita fragmentación: La fusión de las dendritas por lo general comienza en la raíz debido a la elevación de la temperatura local y la segregación. UST genera convección fuerte (transferencia de calor por el movimiento en masa de un fluido) y las ondas de choque en la masa fundida, de modo que se fragmentan las dendritas. La convección puede promover la fragmentación de las dendritas debido a las temperaturas extremas locales así como las variaciones de composición y promueve la difusión de soluto. Las ondas de choque cavitación ayudan a la rotura de las raíces de fusión.

La desgasificación de ultrasonidos de aleaciones metálicas

La desgasificación es otro efecto importante de los ultrasonidos de potencia en metales líquidos y semi-sólidos y aleaciones. La cavitación acústica crea ciclos alternos de baja presión / alta presión. Durante los ciclos de baja presión, diminutas burbujas de vacío se producen en el líquido o suspensión. Estas burbujas de vacío actúan como núcleos para la formación de hidrógeno y vapor de burbujas. Debido a la formación de burbujas de hidrógeno mayores, las burbujas de gas suben. flujo acústico y streaming ayudan a la flotación de estas burbujas a la superficie y fuera de la masa fundida, de modo que el gas puede ser retirado y la concentración de gas en la masa fundida se reduce.
desgasificación de ultrasonidos reduce la porosidad del metal consiguiendo de esta manera una densidad de material mayor en el producto de metal / aleación final.
desgasificación de ultrasonidos de aleaciones de aluminio a elevar la resistencia a la tracción y la ductilidad del material. Los sistemas de ultrasonidos de potencia industrial cuentan como el mejor entre otros métodos de desgasificación comerciales respecto a la efectividad y tiempo de procesamiento. Además, el proceso de llenado del molde se mejora debido a la menor viscosidad de la masa fundida.

refinamiento de ultrasonidos de aleación de Ti (Haga clic para agrandar!)

propiedades de compresión de Ti44Al6Nb1Cr2V bajo varias veces sonicación.

El UIP1000hd es un dispositivo de ultrasonidos de gran alcance, que se utiliza para la ingeniería de materiales, estructuración nano y modificación de las partículas. (¡Click para agrandar!)

Dr. D. Andreeva demuestra el procedimiento de estructuración de ultrasonidos
mediante el uso de la UIP1000hd ultrasonicador (20 kHz, 1000W). Imagen por Ch. Wissler

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Sonocapillary Efecto durante la filtración

El efecto capilar ultrasónico (UCE) en metales líquidos es el efecto de conducción para eliminar inclusiones de óxido durante la filtración ultrasónicamente asistida de masas fundidas. (Eskin et al 2014:. 120ff.)
La filtración se utiliza para eliminar las impurezas no metálicas de la masa fundida. Durante la filtración, la masa fundida pasa varias mallas (por ejemplo fibra de vidrio) para separar inclusiones no deseadas. Cuanto menor sea el tamaño de la malla, mejor es el resultado de la filtración.
En condiciones comunes, la masa fundida no puede pasar un filtro de dos capas con un tamaño de poro muy estrecha de 0,4-0,4mm. Sin embargo, bajo filtración ultrasónicamente asistida de la masa fundida está habilitada para pasar los poros de malla debido al efecto sonocapillary. En este caso, los capilares filtrantes retienen incluso las impurezas no metálicas de 1-10μm. Debido a la mayor pureza de la aleación, la formación de poros de hidrógeno a los óxidos se evita, de modo que se aumenta la resistencia a la fatiga de la aleación.
Eskin et al. (2014:. 120ff) ha demostrado que la filtración ultrasónica hace que sea posible purificar el AA2024 aleaciones de aluminio, AA7055, AA7075 y el uso de filtros de fibra de vidrio de varias capas (con hasta 9 capas) con 0,6×0.6mm malla poros. Cuando el proceso de filtración de ultrasonidos se combina con la adición de inoculantes, se consigue un refinamiento de grano simultánea.

Refuerzo de ultrasonidos

Ultrasonidos se ha demostrado ser muy eficaz en la dispersión de nano partículas uniformemente en lechadas. Por lo tanto, dispersores de ultrasonidos son el equipo más común para producir materiales compuestos nano-reforzada.
Las nanopartículas (por ejemplo Al2O3/ SiC, CNTs) se utilizan como material de refuerzo. Las nano partículas se añaden a la aleación fundida y se dispersan mediante ultrasonidos. La cavitación acústica y la transmisión mejora la desaglomeración y la humectabilidad de las partículas, lo que resulta en una resistencia a la tracción mejorado, límite de elasticidad, y alargamiento.

dispositivo ultrasónico UIP2000hdT (2 kW) con Cascatrode

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Equipos de ultrasonidos para aplicaciones de servicio pesado

La aplicación de ultrasonidos de potencia en la metalurgia requiere sistemas ultrasónicos robusto, fiable, que se pueden instalar en entornos exigentes. Hielscher Ultrasonidos suministra equipos de ultrasonidos de grado industrial para instalaciones en aplicaciones de servicio pesado y ambientes ásperos. Todos nuestros ultrasonicators se construyen para un funcionamiento 24/7. sistemas ultrasónicos de alta potencia de Hielscher están emparejados con robustez, fiabilidad y capacidad de control precisa.
procesos exigentes – tales como el refinado de masas fundidas de metal – requerir la capacidad de un intenso tratamiento con ultrasonidos. Hielscher Ultrasonidos’ procesadores ultrasónicos industriales ofrecen muy altas amplitudes. Amplitudes de hasta 200μm pueden ser fácilmente continuamente se ejecutan en funcionamiento 24/7. Para amplitudes aún más altos, sonotrodos ultrasónicos personalizados están disponibles.
Para la sonicación de muy alta líquido y temperaturas de fusión, Hielscher ofrece varios sonotrodos y accesorios personalizados para garantizar resultados de procesamiento óptimas.
En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:

Volumen del lote Tasa de flujo Dispositivos recomendados
10 a 2000 mL 20 a 400 mL/min. UP200Ht, UP400St
0,1 a 20 L 0,2 a 4 L/min UIP2000hdT
10 a 100 L 2 a 10 L/min UIP4000
n.a. 10 a 100 L/min UIP16000
n.a. mayor Grupo de UIP16000

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Literatura/Referencias

  • Eskin, Georgy I .; Eskin, Dmitry G. (2014): El tratamiento ultrasónico de aleación ligera se derrite. CRC Press, Tecnología & Ingeniería 2014.
  • Jia, S .; Xuan, Y .; Nastac, L .; Allison, P.G .; Corriendo, T.W: (2016): la microestructura, las propiedades mecánicas y el comportamiento de fractura de 6061 piezas fundidas nanocompuestos basados ​​en aleación de aluminio fabricados por procesamiento ultrasónico. Revista Internacional de Metales moldeada Research, vol. 29, Iss. 5: TMS Reunión y Exposición Anual 2015 2016. 286-289.
  • Ruirun, C. et al. (2017): Efectos de la vibración ultrasónica sobre la microestructura y las propiedades mecánicas de alta aleación TiAl. Sci. Rep. 7, 2017.
  • Skorb, E.V .; Andreeva, D. V. (2013): Bio-inspirado construcción asistida por ultrasonido de esponjas sintéticas. J. Mater. Chem. A, 2013,1. 7547 hasta 7557.
  • Tzanakis, I .; Xu, W.W .; Eskin, D.G .; Lee, P.D. .; Kotsovinos, N. (2015): En la observación y el análisis de efecto capilar ultrasónica en aluminio fundido situ. Ultrasónica Sonoquímica 27, 2015. 72-80.
  • Wu, W.W :; Tzanakis, I .; Srirangam, P .; Mirihanage, W.U .; Eskin, D.G .; Bodey, A. J .; Lee, P. D. (2015): Sincrotrón Cuantificación de ultrasonido cavitación y la dinámica de burbujas en Al-10Cu se derrite.


Información interesante

La potencia de ultrasonidos y cavitación

Cuando las ondas ultrasónicas de alta intensidad se acoplan en líquidos o lodos, el fenómeno de la cavitación ocurre.
El ultrasonido de alta potencia y baja frecuencia causa la formación de burbujas de cavitación en líquidos y lodos de forma controlada. Las ondas de ultrasonido intensas generan ciclos alternos de baja presión / alta presión en el líquido. Estos rápidos cambios de presión generan vacíos, las llamadas burbujas de cavitación. Las burbujas de cavitación inducidas por ultrasonidos se pueden considerar como microrreactores químicos que proporcionan altas temperaturas y presiones a escala microscópica, donde se produce la formación de especies activas tales como radicales libres de moléculas disueltas. En el contexto de la química de los materiales, la cavitación ultrasónica tiene el potencial único de catalizar localmente reacciones de alta temperatura (hasta 5000 K) y alta presión (500atm), mientras que el sistema permanece macroscópicamente cerca de la temperatura ambiente y la presión ambiental. (ver Skorb, Andreeva 2013)
Los tratamientos ultrasónicos (UST) se basan principalmente en los efectos de la cavitación. Para la metalurgia, la UST es una técnica altamente ventajosa para mejorar la fundición de metales y aleaciones.