Affinement par ultrasons des métaux en fusion
- Les ultrasons de puissance appliqués aux métaux et alliages en fusion présentent divers effets bénéfiques, tels que la structuration, le dégazage et l’amélioration de la filtration.
- Le traitement par ultrasons favorise la solidification non dendritique des métaux liquides et semi-solides.
- La sonication apporte des bénéfices significatifs pour l’affinement microstructural des grains dendritiques et des particules intermétalliques primaires.
- En outre, les ultrasons de puissance peuvent être utilisés de manière ciblée pour réduire la porosité du métal ou produire des structures mésoporeuses.
- Enfin, les ultrasons de puissance améliorent la qualité des pièces moulées.
Solidification par ultrasons des métaux en fusion
La formation de structures non dendritiques lors de la solidification des métaux en fusion influence les propriétés du matériau, telles que la résistance mécanique, la ductilité, la ténacité et/ou la dureté.
Germination des grains modifiée par ultrasons : La cavitation acoustique et ses forces de cisaillement intenses augmentent le nombre de sites de germination et de germes dans le métal en fusion. Le traitement par ultrasons des métaux en fusion entraîne une germination hétérogène et la fragmentation des dendrites, de sorte que le produit final présente un affinement des grains nettement plus important.
La cavitation ultrasonore provoque un mouillage uniforme des impuretés non métalliques présentes dans le métal en fusion. Ces impuretés deviennent des sites de germination, qui constituent les points de départ de la solidification. Comme ces points de germination se trouvent en avant du front de solidification, les structures dendritiques ne se développent pas.
Macrostructure d’un alliage de Ti après traitement par ultrasons. Le traitement par ultrasons entraîne un affinement significatif de la structure granulaire.
La Dre Andreeva-Bäumler, de l’Université de Bayreuth, travaille sur la nanostructuration des métaux avec l’appareil à ultrasons UIP1000hdT.
Effets des ultrasons sur la dureté Vickers des alliages : le traitement par ultrasons améliore la microdureté Vickers du métal
(étude et graphique : ©Ruirun et al., 2017)
Fragmentation des dendrites : La fusion des dendrites commence généralement à leur racine en raison de l’élévation locale de la température et de la ségrégation. La sonication génère une forte convection (transfert de chaleur par déplacement de matière dans un fluide) et des ondes de choc dans le métal en fusion, ce qui fragmente les dendrites. La convection peut favoriser la fragmentation des dendrites en raison de températures locales extrêmes ainsi que de variations de composition, et favorise la diffusion du soluté. Les ondes de choc dues à la cavitation facilitent la rupture de ces racines en cours de fusion.
Dégazage par ultrasons des alliages métalliques
Le dégazage est un autre effet important des ultrasons de puissance sur les métaux et alliages liquides et semi-solides. La cavitation acoustique crée des cycles alternant basse pression / haute pression. Pendant les cycles de basse pression, de minuscules bulles de vide apparaissent dans le liquide ou la suspension. Ces bulles de vide servent de germes à la formation de bulles d’hydrogène et de vapeur. À mesure que des bulles d’hydrogène plus grosses se forment, les bulles de gaz remontent. L’écoulement acoustique et les courants acoustiques facilitent la remontée de ces bulles vers la surface et leur évacuation hors du métal en fusion, ce qui permet d’éliminer le gaz et de réduire sa concentration dans le métal en fusion.
Le dégazage par ultrasons réduit la porosité du métal, permettant ainsi d’obtenir une densité de matériau plus élevée dans le produit final en métal / alliage.
Le dégazage par ultrasons des alliages d’aluminium augmente la résistance à la traction et la ductilité du matériau. Les systèmes industriels à ultrasons de puissance figurent parmi les meilleures solutions de dégazage commerciales en matière d’efficacité et de temps de traitement. En outre, le remplissage du moule est amélioré grâce à la viscosité plus faible du métal en fusion.
Propriétés en compression de Ti44Al6Nb1Cr2V pour différentes durées de sonication. La sonication améliore considérablement la résistance à la compression.
(étude et graphique : ©Ruirun et al., 2017)
La sonotrode en céramique BS4D22L3C est une sonotrode spéciale adaptée à la sonication de liquides à haute température, tels que l’aluminium en fusion (par exemple pour le mélange et le dégazage).
Effet sonocapillaire lors de la filtration
L’effet capillaire ultrasonore dans les métaux liquides est le mécanisme moteur de l’élimination des inclusions d’oxydes lors de la filtration des métaux en fusion assistée par ultrasons. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
La filtration sert à éliminer les impuretés non métalliques du métal en fusion. Pendant la filtration, le métal en fusion traverse différents réseaux de mailles (par exemple en fibres de verre) afin de séparer les inclusions indésirables. Plus les mailles sont petites, meilleur est le résultat de la filtration.
Dans les conditions habituelles, le métal en fusion ne peut pas traverser un filtre à deux couches dont la taille des pores est très faible, de 0,4–0,4mm. Cependant, lors de la filtration assistée par ultrasons, l’effet sonocapillaire permet au métal en fusion de traverser les pores du réseau de mailles. Dans ce cas, les capillaires du filtre retiennent même les impuretés non métalliques de 1–10μm. Grâce à la pureté accrue de l’alliage, la formation de pores d’hydrogène au niveau des oxydes est évitée, ce qui augmente la résistance à la fatigue de l’alliage.
Eskin et al. (2014: 120ff.) ont montré que la filtration par ultrasons permet de purifier les alliages d’aluminium AA2024, AA7055 et AA7075 à l’aide de filtres multicouches en fibres de verre (jusqu’à 9 couches) dont les mailles présentent des ouvertures de 0,6×0,6mm. Lorsque le procédé de filtration par ultrasons est combiné à l’ajout d’inoculants, un affinement des grains est obtenu simultanément.
Renforcement par ultrasons des alliages métalliques
Il est démontré que le traitement par ultrasons est très efficace pour disperser uniformément les nanoparticules dans les suspensions. Les disperseurs à ultrasons sont donc les équipements les plus couramment utilisés pour produire des composites renforcés par des nanoparticules.
Les nanoparticules (par exemple Al2O3/SiC, CNTs) sont utilisées comme matériau de renforcement. Les nanoparticules sont ajoutées à l’alliage en fusion et dispersées par ultrasons. La cavitation acoustique et les courants acoustiques améliorent la désagglomération et la mouillabilité des particules, ce qui améliore la résistance à la traction, la limite d’élasticité et l’allongement.
Équipements à ultrasons pour applications exigeantes
L’application des ultrasons de puissance en métallurgie nécessite des systèmes à ultrasons robustes et fiables, pouvant être installés dans des environnements exigeants. Hielscher Ultrasonics fournit des équipements à ultrasons de qualité industrielle destinés aux installations soumises à des conditions d’utilisation intensives et à des environnements difficiles. Tous nos appareils à ultrasons sont conçus pour fonctionner 24/7. Les systèmes à ultrasons de haute puissance Hielscher allient robustesse, fiabilité et précision de commande.
Les procédés exigeants – tels que l’affinement des métaux en fusion – nécessitent une capacité de sonication intense. Les processeurs industriels à ultrasons Hielscher Ultrasonics délivrent des amplitudes très élevées. Des amplitudes allant jusqu’à 200µm peuvent aisément être maintenues en continu en fonctionnement 24/7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes à ultrasons sur mesure sont disponibles.
Pour la sonication de liquides et de métaux en fusion à très haute température, Hielscher propose différentes sonotrodes et des accessoires sur mesure afin de garantir des résultats de traitement optimaux.
Le tableau ci-dessous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos appareils à ultrasons :
| Volume du lot | Débit | Appareils recommandés |
|---|---|---|
| 10 à 2000mL | 20 à 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 à 20L | 0,2 à 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 à 100L | 2 à 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 à 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | supérieur | ensemble de UIP16000 |
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Bibliographie/Références
- 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.
Informations utiles
Ultrasons de puissance et cavitation
Lorsque des ondes ultrasonores de forte intensité sont couplées à des liquides ou à des suspensions, le phénomène de cavitation se produit.
Les ultrasons de haute puissance et de basse fréquence provoquent de manière contrôlée la formation de bulles de cavitation dans les liquides et les suspensions. Les ondes ultrasonores intenses génèrent des cycles alternant basse pression / haute pression dans le liquide. Ces variations rapides de pression créent des cavités, appelées bulles de cavitation. Les bulles de cavitation induites par ultrasons peuvent être considérées comme des microréacteurs chimiques offrant des températures et des pressions élevées à l’échelle microscopique, où se forment des espèces actives telles que des radicaux libres à partir de molécules dissoutes. Dans le contexte de la chimie des matériaux, la cavitation ultrasonore possède la capacité unique de catalyser localement des réactions à haute température (jusqu’à 5000 K) et à haute pression (500atm), tandis que le système reste, à l’échelle macroscopique, proche de la température ambiante et de la pression atmosphérique. (cf. Skorb, Andreeva 2013)
Les traitements par ultrasons reposent principalement sur les effets de la cavitation. En métallurgie, la sonication est une technique très avantageuse pour améliorer le moulage des métaux et des alliages.
Outre le traitement des métaux en fusion, la sonication est également utilisée pour créer des nanostructures spongieuses et des motifs nanométriques sur des surfaces métalliques solides, telles que celles du titane et des alliages. Ces pièces en titane et en alliage nanostructurées par ultrasons présentent un fort potentiel en tant qu’implants, avec une prolifération accrue des cellules ostéogéniques. En savoir plus sur la nanostructuration par ultrasons des implants en titane !