ریزدانه‌سازی فراصوتی مذاب‌های فلزی
- فراصوت پرتوان در فلزات و آلیاژهای مذاب آثار سودمند گوناگونی مانند ساختاردهی، گاززدایی و بهبود فیلتراسیون دارد.
- فراصوت‌دهی، انجماد غیردندریتی را در فلزات مایع و نیمه‌جامد تقویت می‌کند.
- فراصوت‌دهی مزایای چشمگیری برای ریزسازی ریزساختار دانه‌های دندریتی و ذرات بین‌فلزی اولیه دارد.
- علاوه بر این، می‌توان از فراصوت پرتوان به‌صورت هدفمند برای کاهش تخلخل فلز یا تولید ساختارهای مزومتخلخل استفاده کرد.
- در نهایت، فراصوت پرتوان کیفیت قطعات ریختگی را بهبود می‌بخشد.
انجماد فراصوتی مذاب‌های فلزی
تشکیل ساختارهای غیردندریتی هنگام انجماد مذاب‌های فلزی بر خواص ماده، مانند استحکام، شکل‌پذیری، چقرمگی و/یا سختی، تأثیر می‌گذارد.
جوانه‌زنی دانه‌ها تحت تأثیر فراصوت: کاویتاسیون آکوستیکی و نیروهای برشی شدید آن، محل‌های جوانه‌زنی و تعداد جوانه‌ها را در مذاب افزایش می‌دهند. تیمار فراصوتی مذاب‌ها موجب جوانه‌زنی ناهمگن و خردشدن دندریت‌ها می‌شود؛ در نتیجه، محصول نهایی ریزدانگی به‌مراتب بیشتری دارد.
کاویتاسیون فراصوتی موجب ترشوندگی یکنواخت ناخالصی‌های غیرفلزی در مذاب می‌شود. این ناخالصی‌ها به محل‌های جوانه‌زنی تبدیل می‌شوند که نقاط آغاز انجماد هستند. از آنجا که این نقاط جوانه‌زنی جلوتر از جبههٔ انجماد قرار دارند، رشد ساختارهای دندریتی رخ نمی‌دهد.
ساختار ماکروسکوپی آلیاژ Ti پس از تیمار فراصوتی. فراصوت‌دهی موجب ایجاد ساختار دانه‌ای به‌مراتب ریزتر می‌شود.
دکتر Andreeva-Bäumler از دانشگاه بایرویت، با استفاده از سونیکاتور UIP1000hdT روی نانوساختاردهی فلزات کار می‌کند.
تأثیرات فراصوت بر سختی ویکرز آلیاژ: فراصوت‌دهی ریزسختی ویکرز را در فلز بهبود می‌بخشد
(پژوهش و نمودار: ©Ruirun et al., 2017)
خردشدن دندریت‌ها: ذوب دندریت‌ها معمولاً به‌دلیل افزایش موضعی دما و جدایش، از ریشه آغاز می‌شود. فراصوت‌دهی، همرفت شدید (انتقال حرارت از طریق حرکت توده‌ای سیال) و امواج ضربه‌ای را در مذاب ایجاد می‌کند که باعث خردشدن دندریت‌ها می‌شوند. همرفت می‌تواند به‌واسطهٔ دماهای موضعی بسیار بالا و نیز تغییرات ترکیب، خردشدن دندریت‌ها را تقویت کند و نفوذ مادهٔ حل‌شونده را افزایش دهد. امواج ضربه‌ای کاویتاسیون به شکستن این ریشه‌های در حال ذوب کمک می‌کنند.
گاززدایی فراصوتی آلیاژهای فلزی
گاززدایی یکی دیگر از آثار مهم فراصوت پرتوان بر فلزات و آلیاژهای مایع و نیمه‌جامد است. کاویتاسیون آکوستیکی چرخه‌های متناوب فشار پایین / فشار بالا ایجاد می‌کند. در طول چرخه‌های فشار پایین، حباب‌های ریز خلأ در مایع یا دوغاب پدید می‌آیند. این حباب‌های خلأ به‌عنوان جوانه‌هایی برای تشکیل حباب‌های هیدروژن و بخار عمل می‌کنند. با تشکیل حباب‌های بزرگ‌تر هیدروژن، حباب‌های گاز بالا می‌روند. جریان و جریان‌زایی آکوستیکی به شناورشدن این حباب‌ها به‌سمت سطح و خروج آن‌ها از مذاب کمک می‌کنند؛ بنابراین گاز قابل حذف می‌شود و غلظت گاز در مذاب کاهش می‌یابد.
گاززدایی فراصوتی تخلخل فلز را کاهش می‌دهد و از این طریق چگالی ماده را در محصول نهایی فلزی / آلیاژی افزایش می‌دهد.
گاززدایی فراصوتی آلیاژهای آلومینیوم، استحکام کششی نهایی و شکل‌پذیری ماده را افزایش می‌دهد. سامانه‌های صنعتی فراصوت پرتوان از نظر اثربخشی و زمان پردازش، در میان سایر روش‌های تجاری گاززدایی بهترین محسوب می‌شوند. همچنین، به‌دلیل کاهش گرانروی مذاب، فرایند پرشدن قالب بهبود می‌یابد.
خواص فشاری Ti44Al6Nb1Cr2V در مدت‌زمان‌های مختلف فراصوت‌دهی. فراصوت‌دهی استحکام فشاری را به‌طور چشمگیری بهبود می‌بخشد.
(پژوهش و نمودار: ©Ruirun et al., 2017)
سونوتْرود سرامیکی BS4D22L3C یک سونوتْرود ویژه و مناسب برای فراصوت‌دهی مایعات با دمای بالا، مانند آلومینیوم مذاب، است (برای مثال، جهت اختلاط و گاززدایی).
اثر موئینگی صوتی هنگام فیلتراسیون
اثر موئینگی فراصوتی در فلزات مایع، عامل محرک حذف آخال‌های اکسیدی هنگام فیلتراسیون مذاب‌ها به کمک فراصوت است. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
فیلتراسیون برای حذف ناخالصی‌های غیرفلزی از مذاب به کار می‌رود. در طول فیلتراسیون، مذاب از توری‌های مختلف (برای مثال، از جنس الیاف شیشه) عبور می‌کند تا آخال‌های ناخواسته جدا شوند. هرچه اندازهٔ چشمه‌های توری کوچک‌تر باشد، نتیجهٔ فیلتراسیون بهتر است.
در شرایط معمول، مذاب نمی‌تواند از یک فیلتر دولایه با اندازهٔ منافذ بسیار کوچک 0٫4-0٫4mm عبور کند. با این حال، در فیلتراسیون به کمک فراصوت، اثر موئینگی صوتی امکان عبور مذاب از منافذ توری را فراهم می‌کند. در این حالت، مجراهای موئین فیلتر حتی ناخالصی‌های غیرفلزی به اندازهٔ 1–10μm را نیز نگه می‌دارند. به‌دلیل افزایش خلوص آلیاژ، از تشکیل حفره‌های هیدروژنی در محل اکسیدها جلوگیری می‌شود و در نتیجه استحکام خستگی آلیاژ افزایش می‌یابد.
Eskin et al. (2014: 120ff.) نشان داده‌اند که فیلتراسیون فراصوتی، تصفیهٔ آلیاژهای آلومینیوم AA2024، AA7055 و AA7075 را با استفاده از فیلترهای چندلایهٔ الیاف شیشه (تا 9 لایه) با منافذ توری 0٫6×0٫6mm امکان‌پذیر می‌کند. هنگامی که فرایند فیلتراسیون فراصوتی با افزودن مواد جوانه‌زا ترکیب شود، ریزدانه‌سازی نیز هم‌زمان حاصل می‌شود.
تقویت فراصوتی آلیاژهای فلزی
اثربخشی بسیار بالای فراصوت‌دهی در پراکنده‌سازی یکنواخت نانوذرات در دوغاب‌ها اثبات شده است. بنابراین، پراکنده‌سازهای فراصوتی رایج‌ترین تجهیزات برای تولید کامپوزیت‌های تقویت‌شده با نانوذرات هستند.
نانوذرات (برای مثال، Al2O3/SiC, CNTs) به‌عنوان مادهٔ تقویت‌کننده استفاده می‌شوند. نانوذرات به آلیاژ مذاب افزوده و به‌صورت فراصوتی پراکنده می‌شوند. کاویتاسیون و جریان‌زایی آکوستیکی، کلوخه‌زدایی و ترشوندگی ذرات را بهبود می‌بخشند و در نتیجه موجب بهبود استحکام کششی، استحکام تسلیم و ازدیاد طول می‌شوند.
تجهیزات فراصوتی برای کاربردهای سنگین
کاربرد فراصوت پرتوان در متالورژی به سامانه‌های فراصوتی مستحکم و قابل‌اعتمادی نیاز دارد که بتوان آن‌ها را در محیط‌هایی با شرایط دشوار نصب کرد. Hielscher Ultrasonics تجهیزات فراصوتی ردهٔ صنعتی را برای نصب در کاربردهای سنگین و محیط‌های سخت تأمین می‌کند. تمامی سونیکاتورهای ما برای کارکرد 24/7 ساخته شده‌اند. سامانه‌های فراصوتی پرتوان Hielscher از استحکام، قابلیت اطمینان و کنترل‌پذیری دقیق برخوردارند.
فرایندهای دشوار – مانند ریزدانه‌سازی مذاب‌های فلزی – به قابلیت فراصوت‌دهی شدید نیاز دارند. پردازشگرهای فراصوتی صنعتی Hielscher Ultrasonics دامنه‌های بسیار بالایی ارائه می‌کنند. کارکرد پیوسته با دامنه‌هایی تا 200µm در حالت 24/7 به‌راحتی امکان‌پذیر است. برای دامنه‌های حتی بالاتر، سونوتْرودهای فراصوتی سفارشی در دسترس هستند.
برای فراصوت‌دهی مایعات و مذاب‌ها در دماهای بسیار بالا، Hielscher انواع سونوتْرودها و لوازم جانبی سفارشی را ارائه می‌کند تا نتایج بهینهٔ پردازش تضمین شوند.
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش سونیکاتورهای ما ارائه می‌دهد:
| حجم هر بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 10 تا 2000mL | 20 تا 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0٫1 تا 20L | 0٫2 تا 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 تا 100L | 2 تا 10L/min | UIP4000 |
| قابل‌اعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| قابل‌اعمال نیست | بیشتر | مجموعه‌ای از دستگاه‌های UIP16000 |
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
منابع و مراجع
- 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.
دانستنی‌های مفید
فراصوت پرتوان و کاویتاسیون
هنگامی که امواج فراصوتی با شدت بالا به مایعات یا دوغاب‌ها منتقل می‌شوند، پدیدهٔ کاویتاسیون رخ می‌دهد.
فراصوت با توان بالا و فرکانس پایین موجب تشکیل کنترل‌شدهٔ حباب‌های کاویتاسیون در مایعات و دوغاب‌ها می‌شود. امواج فراصوتی شدید، چرخه‌های متناوب فشار پایین / فشار بالا را در مایع ایجاد می‌کنند. این تغییرات سریع فشار، حفره‌هایی ایجاد می‌کنند که حباب‌های کاویتاسیون نامیده می‌شوند. حباب‌های کاویتاسیون القاشده با فراصوت را می‌توان ریزراکتورهای شیمیایی در نظر گرفت که دماها و فشارهای بالا را در مقیاس میکروسکوپی فراهم می‌کنند و در آن‌ها گونه‌های فعال، مانند رادیکال‌های آزاد، از مولکول‌های حل‌شده تشکیل می‌شوند. در حوزهٔ شیمی مواد، کاویتاسیون فراصوتی قابلیت منحصربه‌فردی برای کاتالیز موضعی واکنش‌های دما بالا (تا 5000 K) و فشار بالا (500atm) دارد، در حالی که سامانه در مقیاس ماکروسکوپی نزدیک به دمای اتاق و فشار محیط باقی می‌ماند. (ر.ک. Skorb, Andreeva 2013)
تیمارهای فراصوتی عمدتاً بر آثار کاویتاسیون متکی هستند. در متالورژی، فراصوت‌دهی روشی بسیار سودمند برای بهبود ریخته‌گری فلزات و آلیاژها است.
علاوه بر تیمار مذاب‌های فلزی، فراصوت‌دهی برای ایجاد نانوساختارهای اسفنج‌مانند و نانوالگوها روی سطوح فلزی جامد، مانند تیتانیوم و آلیاژها، نیز استفاده می‌شود. این قطعات تیتانیومی و آلیاژی که با فراصوت نانوساختاردهی شده‌اند، با افزایش تکثیر سلول‌های استخوان‌ساز، قابلیت بالایی برای استفاده به‌عنوان ایمپلنت نشان می‌دهند. دربارهٔ نانوساختاردهی فراصوتی ایمپلنت‌های تیتانیومی بیشتر بخوانید!