Technologie des ultrasons Hielscher

Traitement par ultrasons de fait fondre le métal

  • ultrasons de puissance dans des métaux fondus et des alliages montre divers effets bénéfiques tels que la structuration, dégazage et filtration améliorée.
  • Ultrasons favorise la solidification non-dendritique dans des métaux liquides et semi-solides.
  • Sonication a des avantages significatifs sur le raffinement des microstructures des grains dendritiques et les particules intermétalliques primaires.
  • Par ailleurs, les ultrasons de puissance peut être utilisé à dessein pour réduire la porosité du métal ou pour produire des structures de méso-poreux.
  • Last but not least, les ultrasons de puissance améliore la qualité des pièces moulées.

 

solidification à ultrasons

La formation de structures non dendritiques lors de la solidification du métal fondu influence les propriétés du matériau telles que la résistance, la ductilité, la ténacité et / ou la dureté.
la nucléation des grains modifiés par ultrasons: cavitation acoustique et ses forces de cisaillement intenses augmentent les sites de nucléation et le nombre de noyaux dans la masse fondue. traitement par ultrasons (UST) de masses fondues entraîner une nucléation hétérogène et la fragmentation de dendrites, de sorte que le produit final présente un affinage du grain de manière significative higer.
cavitation ultrasonique provoque le même mouillage des impuretés non métalliques dans la masse fondue. Ces impuretés sont transformées en sites de nucléation, qui sont les points de départ de solidification. Parce que ces points de nucléation sont en avance sur le front de solidification, la croissance des structures dendritiques ne se produit pas.

traitement par ultrasons des masses fondues métalliques améliore la structure du grain.

Macrostructure d'un alliage Ti après un traitement aux ultrasons (Ruirun et al. 2017)

fragmentation Dendrite: La fusion de dendrites commence généralement à la racine due à l'élévation de la température locale et la ségrégation. UST génère une forte convection (transfert de chaleur par le mouvement de masse d'un fluide) et des ondes de choc dans la masse fondue, de sorte que les dendrites sont fragmentés. La convection peut favoriser la fragmentation Dendrite en raison de températures extrêmes locales, ainsi que des variations de composition et favorise la diffusion du soluté. Les ondes de choc de cavitation aider la rupture de ces racines de fusion.

Ultrasons Dégazage des alliages métalliques

Le dégazage est un autre effet important de la puissance des ultrasons sur des métaux liquides et semi-solides et des alliages. La cavitation acoustique crée alternatif à basse pression / cycles à haute pression. Au cours des cycles de basse pression, de minuscules bulles de vide se produisent dans le liquide ou la suspension. Ces bulles de vide agissent comme des noyaux pour la formation de bulles d'hydrogène et de vapeur. En raison de la formation de grandes bulles d'hydrogène, les bulles de gaz montent. écoulement acoustique et le streaming aider le flottant de ces bulles à la surface et à l'extérieur de la masse fondue, de sorte que le gaz peut être retiré et la concentration de gaz dans la masse fondue est réduite.
dégazage par ultrasons permet de réduire la porosité du métal réalisant ainsi une densité de matière plus élevée dans le produit métal / alliage final.
Ultrasons dégazage des alliages d'aluminium augmenter la résistance à la traction et la ductilité du matériau. systèmes à ultrasons de puissance industrielle comptent comme le meilleur parmi d'autres méthodes de dégazage commerciales concernant l'efficacité et le temps de traitement. En outre, le processus de remplissage du moule est améliorée en raison de la viscosité plus faible de la masse fondue.

ultrasons alliage raffinement Ti (Cliquez pour agrandir!)

propriétés compressives de Ti44Al6Nb1Cr2V sous différents temps de sonication.

Le UIP1000hd est un dispositif à ultrasons puissant, qui est utilisé pour l'ingénierie des matériaux, la structuration des nano et la modification des particules. (Cliquez pour agrandir!)

Dr D. Andreeva démontre la procédure de structuration par ultrasons
en utilisant les UIP1000hd appareil à ultrasons (20 kHz, 1000W). Photo par Ch. Wissler

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Effet des vibrations ultrasoniques

Sonocapillary effet lors de la filtration

L'effet capillaire à ultrasons (UCE) en métal liquide est l'effet d'entraînement pour éliminer les inclusions d'oxydes au cours de la filtration assistée par ultrasons de masses fondues. (Eskin et al 2014:. 120ff.)
La filtration est utilisée pour éliminer les impuretés non métalliques à partir de la masse fondue. Pendant la filtration, la matière fondue passe à mailles différentes (par exemple de fibres de verre) pour séparer les inclusions indésirables. Plus la taille des mailles, le mieux est le résultat de la filtration.
Dans des conditions ordinaires, la masse fondue ne peut pas passer d'un filtre à deux couches avec une taille de pores très étroite de 0,4-0,4mm. Toutefois, en vertu de filtration assistée par ultrasons le bain de fusion est autorisé à passer les pores de la maille en raison de l'effet sonocapillary. Dans ce cas, les capillaires de filtre conservent même les impuretés non métalliques de 1-10μm. En raison de la pureté accrue de l'alliage, la formation de pores d'hydrogène aux oxydes est évitée, de sorte que la résistance à la fatigue de l'alliage est augmentée.
Eskin et al. (2014:. 120ff) a montré que la filtration par ultrasons permet de purifier l'alliage d'aluminium AA2024, AA7055, AA7075 et en utilisant des filtres de fibres de verre à couches multiples (avec un maximum de 9 couches) avec 0,6×0.6mm pores de maille. Lorsque le processus de filtration à ultrasons est combinée avec l'addition d'inoculants, un affinage des grains est réalisée en même temps.

Renforcement ultrasons

Ultrasons est avéré être très efficace sur la dispersion de particules de nano uniformément dans les boues. Par conséquent, disperseurs à ultrasons sont des équipements les plus courants pour produire des composites renforcés par nano.
Les nanoparticules (par exemple Al2la3/ SiC, nanotubes de carbone) sont utilisés comme matériau de renforcement. Les nanoparticules sont ajoutées à l'alliage fondu et dispersé par ultrasons. La cavitation acoustique et améliore en continu la désagglomération et la mouillabilité des particules, résultant en une résistance à la traction améliorée, la limite d'élasticité et l'allongement.

Dispositif à ultrasons UIP2000hdT (2kW) avec Cascatrode

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Equipement ultrasonique pour les applications de véhicules lourds

L'application des ultrasons de puissance en métallurgie nécessite des systèmes à ultrasons robustes, fiables, qui peuvent être installés dans des environnements exigeants. Hielscher Ultrasonics fournit de qualité industrielle appareils à ultrasons pour les installations dans les applications lourdes et des environnements difficiles. Tous nos ultrasonicators sont construits pour un fonctionnement 24/7. systèmes à ultrasons de haute puissance de Hielscher sont jumelés avec la robustesse, la fiabilité et la contrôlabilité précise.
processus exigeants – tel que le raffinage des masses fondues métalliques – exiger la capacité de sonication intense. Hielscher Ultrasonics’ processeurs à ultrasons industriels offrent des amplitudes très élevées. Amplitudes jusqu'à 200 um peuvent être facilement fonctionner en continu en mode 24/7. Pour amplitudes encore plus élevées, sonotrodes à ultrasons sur mesure sont disponibles.
Pour la sonication de liquide très élevée et des températures de fusion, Hielscher propose différentes sonotrodes et accessoires personnalisés pour garantir des résultats de traitement optimaux.
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasonicators:

lot Volume Débit Appareils recommandés
10 à 2000mL 20 à 400 ml / min UP200Ht, UP400St
0.1 20L 00,2 à 4L / min UIP2000hdT
10 à 100l 2 à 10 L / min UIP4000
n / a. 10 à 100 litres / min UIP16000
n / a. plus grand groupe de UIP16000

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Littérature / Références

  • Eskin, Georgy I .; Eskin, Dmitry G. (2014): Traitement par ultrasons de alliage léger Fondants. CRC Press, Technologie & Ingénierie 2014.
  • Jia, S .; Xuan, Y .; Nastac, L .; Allison, P.G .; Précipitation, T.W: (2016): Microstructure, les propriétés mécaniques et le comportement à la rupture de 6061 pièces moulées nanocomposites à base d'alliage d'aluminium fabriqués par un traitement aux ultrasons. International Journal of Metals Cast Research, Vol. 29, Iss. 5: TMS 2015 Réunion annuelle et exposition 2016. 286-289.
  • Ruirun, C. et al. (2017): Effets des vibrations ultrasonores sur la microstructure et les propriétés mécaniques de TiAl élevée de l'alliage. Sci. Rep. 7, 2017.
  • Skorb, E.V .; Andreeva, D.V. (2013): Bio-inspirée construction assistée par ultrasons d'éponges synthétiques. J. Mater. Chem. A, 2013,1. 7547-7557.
  • Tzanakis, I .; Xu, W.W .; Eskin, D.G .; Lee, P.D .; Kotsovinos, N. (2015): l'observation in situ et l'analyse de l'effet capillaire à ultrasons dans l'aluminium fondu. Ultrasons 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 des ultrasons Cavitation et dynamique Bubble Al-10Cu Fondants.


Qu'il faut savoir

Puissance Ultrason et Cavitation

Lorsque les ondes à ultrasons de haute intensité sont couplés dans des liquides ou des boues, le phénomène de cavitation se produit.
Les ultrasons à haute puissance et basse fréquence provoquent la formation de bulles de cavitation dans les liquides et les boues de manière contrôlée. Les ondes ultrasonores intenses génèrent alternativement des cycles basse pression / haute pression dans le liquide. Ces changements rapides de pression génèrent des vides, les bulles dites de cavitation. Les bulles de cavitation induites par ultrasons peuvent être considérées comme des microréacteurs chimiques fournissant des températures et des pressions élevées à l'échelle microscopique, où la formation d'espèces actives telles que des radicaux libres à partir de molécules dissoutes se produit. Dans le contexte de la chimie des matériaux, la cavitation ultrasonique a le potentiel unique de catalyser localement des réactions à haute température (jusqu'à 5000 K) et à haute pression (500atm), tandis que le système reste macroscopiquement proche de la température ambiante et de la pression ambiante. (cf Skorb, Andreeva 2013)
Les traitements par ultrasons (UST) sont principalement basés sur des effets de cavitation. Pour la métallurgie, l'UST est une technique très avantageuse pour améliorer la coulée des métaux et des alliages.