Metallisulade ultraheli abil rafineerimine
- Võimsusultraheli sulametallides ja sulamites avaldab mitmesuguseid kasulikke mõjusid, nagu struktureerimine, gaasieemaldus ja parem filtreerimine.
- Ultraheli töötlus soodustab mittedendriitset tahkumist vedelates ja pooltahketes metallides.
- Ultraheli töötlusel on olulised eelised dendriitsete terade ja primaarsete intermetalsete osakeste mikrostruktuuri peenendamisel.
- Lisaks saab võimsusultraheli sihipäraselt kasutada metalli poorsuse vähendamiseks või mesopoorsete struktuuride tekitamiseks.
- Viimaseks, kuid mitte vähem tähtsaks: võimsusultraheli parandab valandite kvaliteeti.
Metallisulade ultraheli abil tahkumine
Mittedendriitsete struktuuride teke metallisulade tahkumisel mõjutab materjali omadusi, nagu tugevus, plastsus, sitkus ja/või kõvadus.
Ultraheli abil muudetud terade tuumestumine: Akustiline kavitatsioon ja selle intensiivsed nihkejõud suurendavad sulas tuumestumiskohtade ja tuumade arvu. Sulade ultraheli töötlus põhjustab heterogeense tuumestumise ja dendriitide killustumise, mistõttu lõpptoode näitab märkimisväärselt suuremat terade peenenemist.
Ultraheli kavitatsioon põhjustab mittemetalliliste lisandite ühtlase märgumise sulas. Need lisandid muutuvad tuumestumiskohtadeks, mis on tahkumise alguspunktid. Kuna need tuumestumispunktid asuvad tahkumisfrondist ees, dendriitsete struktuuride kasv ei toimu.
Ti sulami makrostruktuur pärast ultraheli töötlust. Ultraheli töötlus annab märkimisväärselt peenendatud terastruktuuri.
Dr Andreeva-Bäumler Bayreuthi ülikoolist töötab metallide nanostruktureerimisel sonikaatoriga UIP1000hdT.
Ultraheli mõju sulami Vickersi kõvadusele: ultraheli töötlus parandab metalli Vickersi mikrokõvadust
(uuring ja graafika: ©Ruirun et al., 2017)
Dendriitide killustumine: Dendriitide sulamine algab tavaliselt juurest kohaliku temperatuuritõusu ja segregatsiooni tõttu. Ultraheli töötlus tekitab sulas tugeva konvektsiooni (soojuse ülekanne vedeliku massiliikumise kaudu) ja lööklained, mistõttu dendriidid killustuvad. Konvektsioon võib soodustada dendriitide killustumist äärmuslike kohalike temperatuuride ning koostise kõikumiste tõttu ning soodustab lahustunud aine difusiooni. Kavitatsiooni lööklained aitavad kaasa nende sulavate juurte murdumisele.
Metallsulamite ultraheli gaasieemaldus
Gaasieemaldus on võimsusultraheli teine oluline mõju vedelatele ja pooltahketele metallidele ning sulamitele. Akustiline kavitatsioon tekitab vahelduvaid madalrõhu- ja kõrgrõhutsükleid. Madalrõhutsüklite ajal tekivad vedelikus või suspensioonis pisikesed vaakumimullid. Need vaakumimullid toimivad tuumadena vesiniku- ja aurumullide tekkeks. Suuremate vesinikumullide tekke tõttu gaasimullid tõusevad. Akustiline voolamine ja vooluvool (streaming) aitavad neil mullidel pinnale ujuda ja sulast väljuda, nii et gaasi saab eemaldada ning gaasi kontsentratsioon sulas väheneb.
Ultraheli gaasieemaldus vähendab metalli poorsust, saavutades sellega lõplikus metalli-/sulamitootes suurema materjalitiheduse.
Alumiiniumsulamite ultraheli gaasieemaldus suurendab materjali tõmbetugevust ja plastsust. Tööstuslikud võimsusultraheli süsteemid peetakse teiste kaubanduslike gaasieemaldusmeetodite seas parimaks tõhususe ja töötlusaja poolest. Lisaks paraneb vormi täitmise protsess sula väiksema viskoossuse tõttu.
Ti44Al6Nb1Cr2V survaomadused erinevate ultraheli töötluse kestuste korral. Ultraheli töötlus parandab survetugevust märkimisväärselt.
(uuring ja graafika: ©Ruirun et al., 2017)
Keraamiline sonotrood BS4D22L3C on eriline sonotrood, mis sobib kõrge temperatuuriga vedelike, näiteks sulaalumiiniumi ultraheli töötluseks (nt segamiseks ja gaasi eemaldamiseks).
Sonokapillaarefekt filtreerimisel
Ultraheli kapillaarefekt vedelates metallides on peamine mõju oksiidsulgude eemaldamisel sulade ultraheli abil toimuval filtreerimisel. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
Filtreerimist kasutatakse mittemetalliliste lisandite eemaldamiseks sulast. Filtreerimise käigus läbib sula erinevaid võrke (nt klaaskiud), et eraldada soovimatud sulgused. Mida väiksem on võrgusilma suurus, seda parem on filtreerimistulemus.
Tavatingimustes ei pääse sula läbi kahekihilise filtri, mille pooride suurus on väga kitsas, 0,4–0,4mm. Ultraheli abil toimuval filtreerimisel aga pääseb sula sonokapillaarefekti tõttu läbi võrgu pooride. Sel juhul peavad filtri kapillaarid kinni isegi mittemetallilised lisandid suurusega 1–10μm. Sulami suurenenud puhtuse tõttu väldib see vesinikupooride teket oksiidide juures, mistõttu sulami väsimustugevus suureneb.
Eskin et al. (2014: 120ff.) on näidanud, et ultraheli filtreerimine võimaldab puhastada alumiiniumsulameid AA2024, AA7055 ja AA7075, kasutades mitmekihilisi klaaskiudfiltreid (kuni 9 kihti), mille võrgupoorid on 0,6×0,6mm. Kui ultraheli filtreerimisprotsessi kombineeritakse inokulantide lisamisega, saavutatakse samaaegne terade peenendamine.
Metallsulamite ultraheli abil tugevdamine
On tõestatud, et ultraheli töötlus on väga tõhus nanoosakeste ühtlaseks dispergeerimiseks suspensioonidesse. Seetõttu on ultraheli dispergaatorid kõige levinum seade nanotugevdatud komposiitide tootmiseks.
Nanoosakesi (nt Al2O3/SiC, CNT-d) kasutatakse tugevdava materjalina. Nanoosakesed lisatakse sulasulamisse ja dispergeeritakse ultraheliga. Akustiline kavitatsioon ja voolamine parandavad osakeste deaglomeratsiooni ja märgumist, mille tulemuseks on parem tõmbetugevus, voolavuspiir ja pikenemine.
Ultraheli seadmed raskeks tööks
Võimsusultraheli rakendamine metallurgias nõuab töökindlaid ja usaldusväärseid ultraheli süsteeme, mida saab paigaldada nõudlikesse keskkondadesse. Hielscher Ultrasonics pakub tööstusklassi ultraheli seadmeid paigaldamiseks raskeks tööks mõeldud rakendustes ja karmides keskkondades. Kõik meie sonikaatorid on ehitatud 24/7 töörežiimiks. Hielscheri suure võimsusega ultraheli süsteemidel on kombineeritud töökindlus, usaldusväärsus ja täpne juhitavus.
Nõudlikud protsessid – näiteks metallisulade rafineerimine – eeldavad intensiivse ultraheli töötluse võimekust. Hielscher Ultrasonicsi tööstuslikud ultraheli protsessorid annavad väga suuri amplituude. Amplituude kuni 200µm saab hõlpsasti pidevalt kasutada 24/7 töörežiimis. Veelgi suuremate amplituudide jaoks on saadaval kohandatud ultraheli sonotroodid.
Väga kõrgete vedeliku- ja sulatemperatuuride ultraheli töötluseks pakub Hielscher mitmesuguseid sonotroode ja kohandatud lisatarvikuid, et tagada optimaalsed töötlustulemused.
Alljärgnev tabel annab ülevaate meie sonikaatorite ligikaudsest töötlusvõimsusest:
| Partii maht | Vooluhulk | Soovitatavad seadmed |
|---|---|---|
| 10 kuni 2000mL | 20 kuni 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 kuni 20L | 0,2 kuni 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 kuni 100L | 2 kuni 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 kuni 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | suurem | klaster seadmetest UIP16000 |
Võtke meiega ühendust! / Küsige meilt!
Kirjandus/viited
- 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.
Teada väärt fakte
Võimsusultraheli ja kavitatsioon
Kui suure intensiivsusega ultraheli laineid juhitakse vedelikesse või suspensioonidesse, ilmneb nähtus nimega kavitatsioon .
Suure võimsusega madalsageduslik ultraheli põhjustab vedelikes ja suspensioonides kavitatsioonimullide kontrollitud tekke. Intensiivsed ultraheli lained tekitavad vedelikus vahelduvaid madalrõhu- ja kõrgrõhutsükleid. Need kiired rõhumuutused tekitavad tühimikke, nn kavitatsioonimulle. Ultraheli poolt esile kutsutud kavitatsioonimulle võib käsitleda keemiliste mikroreaktoritena, mis tagavad mikroskoopilisel skaalal kõrged temperatuurid ja rõhud, kus toimub aktiivsete osakeste, näiteks vabade radikaalide teke lahustunud molekulidest. Materjalikeemia kontekstis on ultraheli kavitatsioonil ainulaadne potentsiaal katalüüsida lokaalselt kõrge temperatuuriga (kuni 5000 K) ja kõrge rõhuga (500atm) reaktsioone, samal ajal kui süsteem püsib makroskoopiliselt toatemperatuuri ja ümbritseva rõhu lähedal. (vrd Skorb, Andreeva 2013)
Ultraheli töötlused põhinevad peamiselt kavitatsiooniefektidel. Metallurgias on ultraheli töötlus väga eelisstatud tehnika metallide ja sulamite valamise parandamiseks.
Peale metallisulade töötlemise kasutatakse ultraheli töötlust ka käsnataoliste nanostruktuuride ja nanomustrite loomiseks tahketel metallpindadel, näiteks titaanil ja sulamitel. Need ultraheli abil nanostruktureeritud titaan- ja sulamidetailid näitavad suurt potentsiaali implantaatidena, mis soodustavad osteogeensete rakkude paljunemist. Loe lähemalt titaanimplantaatide ultraheli nanostruktureerimise kohta!